基于USB3.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電力電子中的應用

胡敏 張曉勇 徐佳康

摘 要：針對電力電子中產(chǎn)生的眾多諧波，和現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集中不斷速度快、精度高、路數(shù)多這些特點，在USB3.0基礎上使用多通道數(shù)據(jù)采集。此種系統(tǒng)主要是主要是FPGA為主控器，同時對模數(shù)轉(zhuǎn)換和多路模擬開關實施集中控制。此種技術在電力電子系統(tǒng)中使用之后，取得顯著效果。因此對具體應用狀況進行詳細分析。

關鍵詞：數(shù)據(jù)采集；電力電子；USB3.0

在技術的不斷發(fā)展中，電子裝置在電網(wǎng)中使用量不斷增加，同時產(chǎn)生大量諧波。供電系統(tǒng)與輸電線路中阻抗會隨著頻率的變化，會產(chǎn)生電壓降，最終使得電波出現(xiàn)畸變，對運行產(chǎn)生重大安全隱患。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中價格昂貴，使用不便，同時傳輸速度低，[JP2]無法滿足實際傳輸要求?，F(xiàn)在主要對USB3.0 數(shù)據(jù)采集在電子檢測中進行測試。

1 USB3.0的概況

USP在發(fā)展過程中，經(jīng)歷多個版本，主要有第一代和第二代，現(xiàn)在都被PC主機所使用。在USB2.0中協(xié)議最快傳輸為60MB/s，但是隨著高清格式和各種大容量儲存設備出現(xiàn)，對傳輸速速度要求也在持續(xù)提高。USB3.0為2008年設計發(fā)布，最快傳輸為625MB/s，速度大為提升。在構(gòu)成體系中主要有三大部分：主機，其擁有USB設備的管理功能；設備，常見的設備主要是打印機、攝像頭、鍵盤等，在很多地方都得到使用；物理連接，這里主要是指主機和USB設備間的連接方式?，F(xiàn)在主要對USB3.0基礎上的數(shù)據(jù)采集，在電力電子中的使用繼續(xù)分析研究。

2 總體方案

系統(tǒng)硬件主要是有四種模塊構(gòu)成，第一信號采集，第二控制邏輯，第三，雙端口緩沖，第四，USB3.0接口。信號采集模塊主要為：電壓電流互感器、AD轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關、低通濾波這些構(gòu)成，使用模擬開關切換，實現(xiàn)固有通道收集。由于數(shù)據(jù)能夠進行多通道采集，因此傳輸中數(shù)量大，為防止損失，可以在接口位置設置緩存器。其中FPGA是系統(tǒng)內(nèi)邏輯控制器，在選擇過程中會選擇ALtera公司生產(chǎn)的EP3C16F484，此種產(chǎn)品成本較低質(zhì)量好，同時芯片內(nèi)部也有較大的容量，我們可以使用IP核搭建電路模擬，例如在ROM中便是使用這種方式。使用EPCA的處理功能能夠使得數(shù)據(jù)傳輸以及采集并發(fā)運行。

3 硬件和實現(xiàn)原理

（1）傳感器模塊。在研究過程中使用高性能CT/PT電壓和電流互感器，通過這種期間將信號轉(zhuǎn)變成±2.5V的交流電壓信號，在系統(tǒng)內(nèi)部也可以使用濕度和溫度傳感器，使用這些設備監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的濕度溫度參數(shù)。互感器在采集信號中的精度是確定其等級的重要標準，因此，一定要嚴格要求線性度和范圍以及相移、高頻衰減等等各種參數(shù)標準。依照諧波檢測，互感器中非線性度一定要在0.1%之下，輸入范圍必須小于線性范圍，同時保證擁有20%內(nèi)的冗余量，保證相移在5°之下。

（2）轉(zhuǎn)換電路和模擬開關。多模擬開關一般會使用ADG706的16：1復用器，導通電阻一般在2.5Ω，時間在40ns。在此器具中使用EN作為使能，同時要依據(jù)A[3：0]確定好地址，同時將S1～S16中的一路切入公共輸出位置D。為了保證系統(tǒng)能耗低、精度高，必須使用AD7482型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此種主要有12位、低能耗、高速（逼近ADC）、吞吐量大（可以達到3Msample/s）等這些優(yōu)點。

（3）雙端口RAM電路。在此種電路中有兩條各自獨立的數(shù)據(jù)以及地址、靜態(tài)隨機存儲器，通過這種設計能夠?qū)崿F(xiàn)兩種獨立控制器共同訪問內(nèi)部存儲單元，同時在讀寫過程中主要是分段并行，這些方式在很大程度上提升了讀寫速度。在此設計中主要使用FPGA中的RAM資源和VHDL語言，因此操作性能和靈活性得到重大提升，在FPGA中主要是雙端口RAM的構(gòu)造，進行數(shù)據(jù)緩存。

（4） USB3.0的通信接口設計。USB3.0接口內(nèi)部協(xié)議芯片主要是CYUSB3014，生產(chǎn)公司為Cypress。在該系統(tǒng)通用編程接口內(nèi)配置好16為同步FIFO模式，其中通用編程接口中16位數(shù)據(jù)總線和雙端口RAM，16位端口連接FLAGA 和 FLAGB 都是CYUSB3014中的標志信號。 PCLK和CLK主要是為了接受各種時鐘類信號。同時SLCS作為選片SLWR是寫使能，SLOE是輸出使能，SLRD是讀使能，在PKTEND中也可以短包發(fā)信號，能夠在電平較低時得到激活，A[1：0]主要是線程地址在選擇時的信號。

4 系統(tǒng)程序設計

（1）雙端口RAM。雙端口RAM主要能夠在AD轉(zhuǎn)換電路內(nèi)讀取采樣數(shù)，同時以此存入緩沖器。進行采樣：FPGA模擬開關能夠發(fā)射選通信號，選擇好要使用的模擬開關取樣之后，通道1模擬量便能夠進入，也可以使用A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)?2位輸入data內(nèi)，同時也要在wrclock上升沿，錄入RAM內(nèi)地址儲存單元。接收到上為機內(nèi)發(fā)送的指令之后，F(xiàn)PGA能夠讓rden生效，同時也可以使得rdaddress在各個讀鐘周期加上1，同時輸出信號也能偶在時鐘上沿不斷更新，使得緩沖器內(nèi)容更好讀出。

（2）USB3.0程序設計。在FX3內(nèi)部往往會使用DMA構(gòu)造，主要是在GPIFⅡ接口連入內(nèi)部儲存器或者各種串行外設。在RMA內(nèi)中送出的各種數(shù)據(jù)會經(jīng)過 GPIFⅡ接口只有進入緩沖區(qū)，通過USB3.0傳輸給上位機。

5 系統(tǒng)測試和分析

在完成設計之后，對整體傳輸性能進行測驗。從實際結(jié)果中可以看到波形和實際預期一致，頻譜分析圖和分量值也相同，在傳輸中數(shù)據(jù)準確。使用軟件對傳輸數(shù)據(jù)進行測試只有發(fā)現(xiàn)，USB3.0傳輸能夠達到247.0 Mbit / s的速度，和上一代USB2.0有顯著提升，同時沒有出現(xiàn)失誤。

6 小結(jié)

在文章中，主要是在USB3.0基礎上，多通道采集，實現(xiàn)三相逆變電路電流和電壓實測，同時也模擬各通道更為方便擴散，得到更多參數(shù)，同時也編寫好 LAB view上位程序，同時對數(shù)據(jù)進行分析和顯示。此設計實用價值大，應用廣。

參考文獻：

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[3]岳敏.基于電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用[J].工程技術：全文版，2016， 25（53）：0021400215.