（电气工程专业论文）电力机车整流柜动态实时检测装置的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 据对路内电力机车运用情况的调研资料表明，多数电力机车存在有“可 控硅动态击穿”现象。而机车一旦出现该现象，轻则要将所烧损的“整流柜” 甩掉，造成机车牵引动力下降：重则造成“死接地”引起机车抛锚，阻断区间 运行。 之所以会有这样的现象发生，其根本原因有两点。第一、与该机务段的 地理位置、气象条件、社会环境等运用环境技术条件有关；第二、没有可以利 用的检测仪器及时确认可控硅的技术状态，使得有些处于临界击穿状态的可控 硅仍在运用，最终造成“某一个可控硅击穿时，击穿时机所造成的局部电气参 数突变而进一步诱发大面积可控硅烧毁”。 本文研究的根本目的在于，从可控硅动、静态技术参数的检测入手，依 据检测的可控硅技术状态数据，经过分析、运算、建档等技术措施，达到对可 控硅所处的技术状态心中有数的目的。当某一只可控硅的技术状态进入临界值 时，可以随时发现、随时更换。从而避免“处于临界击穿状态的可控硅”带病 工作，进而根除“可控硅动态击穿”所构成的隐患。同时，根据运用环境技术 条件的技术特征，对可控硅的绝缘工艺、整流柜的局部绝缘工艺进行针对性的 完善，使之对环境不利因素具有顽强的免疫能力，从而防止由于特定的环境技 术条件所固有的破坏作用导致可控硅“非正常减寿”。 本文研究的装置由c p l d 、工控机以及相关控制软件构成，对防止“可控 硅动态击穿”具有很好的效果。 关键字：可控硅；整流柜；c p l d ：动态检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t m a n yd a t ao fe l e c t r i cl o c o m o t i v eu s i n gs h o w st h a tm o s te l e c t r i o l o c o m o t i v ee x i s tt h ep r o b l e mo fs c rd y n a m i cd a m a g e ，w h i c hcanb es e e n a sar e s u l to fo v e r h i g h v o l t a g eb e t w e e ns c r t h i sf a i l u r em a k e s r e c t i f i e rd i s a b l ea n dc o n d u c e sd e c r e a s eo fl o c o m o t i v ep u l l e v e rm o r e ， t h ef a i1 u r ecanc a u s el o c o m o t i v es t o pa n db l o c kt h er a il w a y t h er e a s o no fs c rd y n a m i cd a m a g earer e l a t et ot h ec i r c u 【i l s t a n c eo f e q u i p m e n tw o r k i n ga n dl a c ko fr e a l t i m ei n s p e c t i o nd e v i c e t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep a r a m e t e r so fs c r ，u s i n gr e a lt i m es c r p a r a m e t e rm e a s u r e m e n td e v i c et og e tt h e s c rs t a t u s i ft h ev o l t a g e b e t w e e nt h es c ri sc l o s et ot h et h r e s h o l dv a l u e ，t h ee q u i p m e n tw i l l p r o m p to p e r a t o rt oc h a n g et h es c ra n da v o i d st h ed a m a g eo fs c r t h ee q u i p m e n ti sm a d eu po fc p l d ，i n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dc o n t r o l l i n g s o f t u s i n gt h i se q u i p m e n to ne l e c t r i cl o c o m o t i v ec a na v a i1 a b l ya v o i d s c rd y n a m icd a m a g e k e y w o r d s ：s c r ：r e c t i f i e r ：c p l d ：d y n a m i ci n s p e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 论文研究内容的背景 据对路内电力机车运用情况的调研资料表明，多数电力机车存在有“可控 硅动态击穿”现象。而机车一旦出现该现象，轻则要将所烧损的“整流柜”甩 掉，造成机车牵引动力下降；重则造成“死接地”引起机车抛锚，阻断区间运 行。 之所以会有这样的现象发生，其根本原因有两点。第一、与该机务段的地 理位置、气象条件、社会环境等运用环境技术条件有关：第二、没有可以利用 的检测仪器及时确认可控硅的技术状态，使得有些处于临界击穿状态的可控硅 仍在运用，最终造成“某一个可控硅击穿时，击穿时机所造成的局部电气参数 突变而进一步诱发大面积可控硅烧毁”。 该研究课题的根本目的在于，从可控硅动、静态技术参数的检测入手，依 据检测的可控硅技术状态数据，经过分析、运算、建档等技术措施，达到对可 控硅所处的技术状态心中有数的目的。当某一只可控硅的技术状态进入临界值 时，可以随时发现、随时更换。从而避免“处于临界击穿状态的可控硅”带病 工作，进而根除“可控硅动态击穿”所构成的隐患。同时，根据运用环境技术 条件的技术特征，对可控硅的绝缘工艺、整流柜的局部绝缘工艺进行针对性的 完善，使之对环境不利因素具有顽强的免疫能力，从而防止由于特定的环境技 术条件所固有的破坏作用导致可控硅“非正常减寿”。 1 2 论文的主要研究内容 由于众所周知的原因，该项目所面临的技术难题比较有特色所以解决其技 术难题所付出的代价也是比较可观的。归结起来，主要有以下几点： 仪器的“便携”问题 被检参数的“全方位”问题 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 被检参数的同步及实时性 被检参数的分辨率 解决数据传递的瓶颈效应 动态检测数据库及随机显示 该项目的调研、论证到整体方案的提出，是根据路内电力机车运用技术领 域内所面临的“棘手”问题而提出的，是亟待解决的关键技术难题。该方案经 过局、分局以及路外专家的反复论证所确认的比较科学、合理、可行的技术方 案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第二章系统的技术难点及解决方案 在前面提到了机车整流柜的动态检测系统需要解决的技术难点，本章详细 介绍了各个技术难点及解决方法。 2 1 仪器的“便携”问题 由于该仪器工作于电力机车的全动态运用状态，所以必须考虑机车运用技 术状态下“强烈电磁干扰、振动、空间狭小”等一系列不利因素，同时还应考 虑到所检测技术参数的“高精度、高分辨率、同步、实时、复杂性”以及该仪 器所期望的”智能化、现代化“技术水平等问题，这就要求该仪器不仅具备的 功能尽可能强大，同时还应该兼顾其应该具有优良的性能价格比以及在实际使 用过程中所具备的小巧，便携、易于操作等特征。 所阻，仪器的体积问题一度成为该课题的首要障碍之一。经过反复调研、 论证，我们本着“在保证前述主要技术指标的前提下，兼顾仪器集成化指标” 的基本原则，通过采用集成度高、工作速度快、抗干扰性能好的c p l d 来作为 数据采集的控制核心这一措施，来解决仪器的便携问题。最后的工程实践证明， 采用这样的对策不仅很好的解决了仪器的便携问题，而且仪器所实现的其它技 术指标也具有相当的技术水平。 2 2 被检参数的“全方位”问题 就该课题的基本出发点而言，就是实现对“可控硅”动态技术参数的检测， 除此以外的技术参数本来不属于该课题的检测范围和研究范畴。但是，在进行 现场调研及采样测试时我们发现，整流柜可控硅表现的技术状态与主变副边的 输出电压之间有直接的关联因素。换言之，如果主变副边的电压得不到保证， 那么整流柜的各项技术指标就无从言起，所以主变副边的电压必须纳入该课题 的检测、分析范围内才能保证该课题整体技术方案的合理性。为此，我们及时 将网压、主变副边电压加入该课题的检测与分析范围之内，杜绝了该课题所可 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 能存在的检测死角，使得该课题的检测范围更全面，整体方案更科学、合理、 可行。 2 3 被检参数的同步及实时性 前已述及，如果要获得被测整流柜比较真实的动态技术参数，必须对所 关联的物理量进行同步测量。根据s s 4 电力机车整流柜的原理( 参照图4 - 1 ) 可知，需要测量的物理量分别为： 第一、测量接触网电压：一路； 第一、测量主变副边电压：u l = a l x l ，u 2 = b l x l ，u 3 = a 2 一x 2 共三路； 第二、测量t l 、t 2 、t 3 、t 4 、t 5 、t 6 等6 个可控桥臂的全部2 4 个整流 元件的“栅极一阴极电压，阳极一阴极电压”共4 8 路。 合计前述三项被测物理量的总和可知，需要同步测试的电压路数为5 2 路， 根据系统设计工艺，我们将系统的检测通道宽度定义为5 4 路。如果不考虑系 统的适时性而仅仅是对5 4 路电压实施一般测量，那么检测5 4 路物理量并不是 什么棘手的事情。 但是，由于整流柜是一个整体，各个桥臂、整流元件之间有着严格的关 联因素，且由于各整流元件工作于斩波方式又拖动的是大范围波动的感性负 载，由电工学原理知道，由于斩波、续流、负载波动等原因所造成的整流元件 上电压、电流、相位等参数十分复杂。要真实描述、纪录、分析各整流元件的 动态技术状态，就必须保证对5 4 路物理量采样的同步特性及实时特性。为此， 我们采用了如下先进技术和工艺。 i ) r l s 级高速数据选择器。 兼顾到研制成本及技术指标的双重因素，我们将5 4 路模拟量分配到8 片 n s 级模拟开关进行管理。如果该模拟开关的切换速度为2 0 0 n s ，那么对5 4 路 模拟量分配到每片数据选择器的通道数为： 5 4 ( 路) 8 ( 片) = 6 7 5 ( 路) 一7 ( 路) ； 每片的一个巡检周期为： 7 ( 路) 2 0 0 n s = 1 4 0 0 n s； 即：5 4 路物理量的一个巡检周期为1 4 0 0 n s 。 如果每次切换的系统操作指令周期为3 0 0 0 n s ，a d 转换周期为1 0 0 0 0 n s ， 那么工程上实现的采样周期为： 7 ( 路) ( 2 0 0 n s + 3 0 0 n s + 1 0 0 0 0 n s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 = 1 0 5 0 0 0 n s = 1 0 5us ； 那么每个工频周期内的采样个数为： 1 0 0 0 0 0 0 us 5 0 1 0 5us = 1 9 0 ( 次) ； 通过前述计算可以看出，利用 i s 级数据选择器，可以在一个工频周期内 同时对5 4 路物理量完成1 9 0 次数据采集。换言之，就是每个整流元件上的每 一种动态物理量可以有1 9 0 个描述点，即在工频交流电的每2 度角频率就有一 个检测结果来描述。由此描述的整流元件的触发相位，斩波特性，同步导通特 性，电压尖锋，均流特性，过流特性等无疑是可信的。 2 ) 高速a d 转换器。 在前述的分析中，我们将a d 转换的周期定义为1 0l ts 。之所以这样，是 因为在具体的工程实践上我们采用了2 0 0 0 0 0 次s 的高速a d 转换器，并且将 该a d 转换器与前述的高速数据选择器采用“1 + 1 ”的配置方式。整个系统5 4 路物理量共采用了8 片这样的a d 转换器，从而保证了采样的同步及实时特 性。 3 ) 超高速大规模可编程逻辑控制器。 在该课题的前期开发试验中，我们曾经采用了9 个高速计算机单元用以 实现对8 通道“数据选择器及a d 转换器”的控制，从于计算机理论可知，由 于其固有的物理结构特性和运算方法制约，仅是分配于数据选择和数据存取的 指令开销时间就远远大于数据选择加a d 转换时问的总和。这无疑不是我们的 期望，也不是科学合理的技术方案。为此，我们针对该课题开发了超高速大规 模可编程逻辑控制器用以管理前述数据选择器和a d 转换器。 之所以将前述的指令操作周期定义为3 0 0 n s ，正是由于采用该器件的缘 故。 2 4 被检参数的分辨率 根据部颁的相关工艺标准可知，可控硅的v p p 电压容限为7 0 0 0 v ，另一方 面，可控硅整流装置属于斩波稳压发式，其导通瞬间的电压上升曲线十分陡削， 要描述这个陡削的曲线，不仅要求该课题具备理想的采样速度，同时还应具备 理想的分辨率。 通过反复试验及分析，我们根据多方位获得的数据资源，最终将其分辨 率确认为“个字长”，即对应予7 0 0 0 v 的可控硅满量程v p - p 电压容限的数字 量为6 5 5 3 5 个，从而保证其分辨率达到0 1 0 6 8 v 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 通过对室内试验纪录数据资料进行的“曲线描述”分析表明，这样的分 辨率完全可以满足适时跟踪可控硅全动态技术参数的要求。 2 5 解决数据传递的瓶颈效应 由于该课题最基本的技术指标是“全方位、同步、实时”特性等问题， 所以，不仅要求系统进行数据采集的速度足够理想，还必须要求各个数据传递 环节的速度也足够理想。在该系统中，数据传递关键问题集中在数据采集和数 据处理两个传递环节。 i 数据采集环节的数据传递。 对于任何一个智能化系统而言，数据总线的瓶颈效应问题是多少年来一 直期望解决而又未能很好解决的问题。对于基于底层语言编程的数据采集环节 而言，由于其总线的数据传递速度受更多不利因素的制约，其表现的瓶颈效应 问题更为突出。这也是该课题所面临的关键技术难题之一。 为解决这一问题，我们基于“数据结构和数理统计”原理，从硬件、软 件两方面着手，开发出了“数据总线立交缓冲器”。在硬件上，由前已述及的3 种硬件技术指标予以保证。在软件上，采取了主从式操作时序，即前级的数据 采集为连续循环，不受任何外来因素的干预。后级数据的转存插入前级转换的 等待周期以内，从而大大提高了系统的整体实时特性。由于这样的数据传递方 式双方互不影响，所以我们将这种数据传递方式形象比喻为“数据总线立交缓 冲器”。 i i 数据处理环节的数据传递。 所谓数据处理环节，在这里是特指将数据采集环节采集到的数据通过工 控机的并行口传递给工控机以实现实时显示的环节。 众所周知，由于目前的w 9 8 n t 操作系统实际访问并口的频率最大在2 0 t i z 。 即每隔5 0 m s 爿能实现对并行口的一次数据存取，依据该项目的数学模型模拟 测试的最高存取速度只有5 0 k 字节，这样的数据传递速度显然远远满足不了系 统的实时特性要求。 为解决该问题，我们经过近3 个月时间的艰苦探索，采取了以下两个针 列。陛的技术措施，最终较好的解决了这一技术难题。 ( 1 ) 大规模高速动态数据缓冲器。 从前面的分析不难得出，在5 0 m s 内，系统实际采集数据的最大值是1 5 6 k s 个字节。因此我门在数据采集环节与工控机的并行口之间的数据采集一侧，扩 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 展了2 6 4 k 片动态r a m ，利用该动态r a m 实行分时数据传递。同时，对被传递 的数据按“压缩、传递、解码还原”的流程进行预处理，从而使总线上实际上 传递的数据量大幅度减少，这样一来使其数据传递的速度比采用传统方式实现 的数据传递速度提高了4 倍多。这不仅可以为系统释放较多的资源用于支持更 为重要的任务，而且也为系统实现“容错分析、软件滤波”等其它增加系统整 体可靠性、稳定性技术指标释放了更多的系统资源。 ( 2 ) 动态f i f o 数据缓冲技术。 前已述及的w 9 8 n t 操作系统对社会公布的实际访问并口的频率最大在 2 0 h z 。即每隔5 0 m s 才能实现对并行口的一次数据存取。但是，现在一般的p c 机的内存达1 2 8 兆，能否利用一定的技术手段开辟个专用的f i f o 数据缓冲 区实现高速数据存取? 经过我们长期的探索证明，这个答案是肯定的。 基于计算机软硬件基础，我们采取底层开发工具利用工控机的物理内存 建立起一个6 4 0 k 的不受c p u 干预的f i f o 数据缓冲区，利用该缓冲区将工控机 对并行口的数据存取速度从5 0 k 字节提高到9 0 0 k 字节，工控机全负荷运行状 态实际实现的无误码数据传递速度达到2 3 0 k 字节。比较满意地解决了这一技 术难题。 2 6 动态检测数据库及随机显示 根据调研、论证资料及相关的行业管理规程要求，要达到适时描述一个 整流柜全部可控硅的全动态技术状态这一目的，共需要显示如下多类技术参 数： 第一、随机显示接触网电压、波形、尖峰、波形畸变系数等参数； 第二、随机显示主变副边电压、波形、尖峰、波形畸变系数等参数； 第三、随机显示各整流臂上各可控硅元件的端电压、触发电压及其波形、 尖峰、续流特性、均流系数等技术参数； 第四、随机显示系统得出的“过压、过流、均流超限、触发非同步系数” 等检测、分析结果。 对于现代的基于w 9 5 9 8 n t 等工业级的p c 机而言，将检测到的原始数据 进行简单的随机显示并不艰难。但是，要将这些检测到的原始数据以及根据这 些数据所分析得出的检测结论适时的、真实的、形象的显示给操作者，这无疑 不是一件轻松的事情。 为此，我们根据实际需求，专门开发了基于w 9 8 平台的动态检测数据库， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 数据库在将检测到的数据进行适时分析、运算、建档、转储等技术处理的同时。 还根据操作者的指令，在任意时刻随机观察到诸如“以数字方式随机显示的网 压( 主变副边电压) 值、波形畸变系数、网压是否超限，以波形显示的网压波 形、尖峰等参数”。还可以观察到各( 只) 臂可控硅的数字量显示结果以及波 形显示结果。这无疑是该课题的一项优良使用指标。 2 7 小结 本文对每个技术难点都进行了分析并提出了相应的解决方法，为整个系统 实现奠定了坚实的技术基础。保证了整个系统能够实现所有功能和达到设计目 标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第三章系统的构成及技术特点 在前述技术攻关获得根本性的技术突破以后，我们依据这些技术为基础， 开发研制出了如图3 1 所示的一套可控硅整流装置实时检测系统。以下结合对 系统结构、各部分的主要功用等方面的描述，迸一步介绍该研究项目的各项技 术特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 1 工控机 工控计算机是该项目的核心。它共有两种运行模式。 3 1 1 检测模式 根据操作者的指令完成随行的检测任务。这些任务分别是： 第一、在机车的全动态运用范围内适时检测可控硅的端电压、触发电压 以及时序、相位等。并把检测结果随机储存。 第二、在机车处于静态的条件下，原位检测可控硅、整流二极管的正反 向电阻、泄漏电流等。 第三、在室内，作为一种标准仪器对可控硅、整流二极管等器件的相关 参数进行检测。 3 1 2 数据管理模式 完成对第一种模式下存储数据的管理及转储任务。 3 2 信息采集机 3 2 1 对信息采集机的基本技术要求 信息采集机处于该设备的关键环节，它必须满足以下几个基本技术要求。 第一、足够多的检测通道。 第二、足够高的分辨率。 第三、实时的检测速度。 第四、可靠的高低压隔离。 从电力机车所采用整流元器件的技术参数可知，其耐压等级一般为 2 5 k v ，而计算机的信号接口电压一般为t t l 或c m o s 电平( 一般不大于5 v ) ， 这就要求该设备必须在对前述参数实现真实、可靠检测的同时，实现绝对可靠 的高低压隔离。 为保证实现可靠的高低压隔离我们采取了以下对策。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 i 、高低压隔离( 高速) 跟踪采样传感器： 将可控硅的“阳极与阴极”之间的端电压的以及“栅极与阴极”之间的 电压按照严格的对应关系同步转换为满足信息采集机采集接口要求的低电压， 为该设备实现各种检测功能提供原始信息。 i i 、精密的电压基准： 为隔离传感器实现对可控硅各技术参数的检测提供“精密、稳定、可靠” 的参考基准。 i i i 、专用测试电缆： 为实现各种检测建立真实、可靠的信息传递通道。因此，这些专用测试 电缆必须满足如下技术要求。 箔一、阻抗匹配。即传递到隔离传感器的信息无畸变、衰减、泄漏。 第二、抗干扰。在机车的动态环境下可靠屏蔽干扰信息。 第三、良好的机械特性。具有一定的抗拉强度和韧性。 第四、便捷的操作特性。连接可靠、方便拆卸。 3 2 2 信息采集机的体系结构 信息采集机的体系结构总共有数据选择器、数据放大嚣、a d 转换器、总 线驱动器、c p l d 核心处理器、数据存储器、并行数据传输等七部分组成。其整 体结构如图3 - 2 如示： 模拟数 据输入 数据放大器部 分( a d 6 20 ) 数据选择器 部分 总线驱动器 部分 高速a d 转器换 部分( a d 9 7 6 ) c p l d 核心处 理器部分 臣 图3 - 2 信息采集机体系结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 3 2 21 高速数据选择器 前已述及，由于该项目对数据采样的同步及实时性要求特别高，故而我 们在选择数据选择器时，不仅考虑数据选择的“数据位宽”问题，而且还充分 考虑了数据选择的“选择速度”问题。正是由于兼顾考虑了这些问题，才使该 系统的“同步和实时”两项技术指标得以充分保证。 这里选用的“8 选一”数据选择器a d g 4 0 7 具有f i s 级的选择速度，每片的 “选择口宽”为8 路，根据该项目所需的5 4 路实际检测需求和工程实践惯例， 我们采用了8 片这样的数据选择器，并将5 4 路被检物理量均分在这8 片数据 选择器上，这样就构成了8 通道“5 4 + 2 ( 备) = 5 6 ”路的数据选择风格，以实 现对这5 4 路被检物理量的循环选择。 数据选择的选择操作由c p l d ( 超高速大规模可编程逻辑控制器) 根据同 步采样的基本要求进行同步程控。即每一条数据选择指令将同时启动8 片 a d g 4 0 7 相应的数据采集通道，所以完成一次对5 4 路模拟量的数据采集需要发 送8 次选取通道控制命令。图3 - 3 是一片a d g 4 0 7 数据选择器的硬件资源示意 图。 8 选一数据 选择器 a d g 4 0 7 d a d b e n a o a 1 a 2 图3 3 数据选择器a d g 4 0 7 在图3 - 3 中，v d d 代表+ 1 2 v ；g n d 代表地；v s s 代表1 2 v ；e n 代表芯片 使能信号，高有效( 芯片工作) ，低无效；a 0 、a 1 、a 2 表示模拟通道选取地址 信号，每组地址值对应于唯一的一个数据通道；d a 代表模拟输出通道的负输出， d b 代表模拟输出通道的正输出。d a 、d b 两端即为被选中的进入a d 转换的被 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 采集物理量的差动电压信号，该差动电压信号经下一级数据放大器迸行运算处 理后，即进入a d 转换器进行模数转换。 当使能信号e n 为高时，a o 、a 1 、a 2 的地址值矢量指向8 路模拟通道中的 唯一一个模拟量进入采样。 当使能信号e n 为低电平时，各通道皆处于关状态。具体的数据选择真值 表如表41 所示。 表4 - 1a d g 4 0 7 数据选择真值表 e na 0a 1a 2 通道 l0o0o 10011 10102 10113 1l00 4 1l015 1l106 1l117 3 2 2 2 数据放大器 这里之所以采用数据放大器而不采用普通放大器，其根本原因在于利用 数据放大器所特别具有的各项性能指标，以保证该环节局部技术特性的方法来 保证整个系统的整体技术指标。 在该环节上，采用a d 6 2 0 后主要实现了如下几个采用普通放大器所难以 实现的几个高难度技术指标。 i 、将差动信号变换为单端信号。 将数据选择器“d a 、d b ”端输出的差动双端信号，按严格的比率变换为 单端信号，满足下一级a d 转换器对信号接口的需求。 i i 、实现阻抗隔离以减少级联串扰噪声。 由于数据选择器的切换噪声、系统串扰、阻抗辐射等因素，系统存在有 许许多多、形形色色的干扰源，这些干扰源一旦进入a d 转换环节参与模数转 换，就必将造成系统的附加误差，这将严重制约系统的整体检测精度。而我们 之所以在这个环节上采用了数据放大器，就是基于数据放大器的阻抗隔离作用 来滤除系统所存在的噪声串扰问题。 i i i 、阻抗遮蔽效应。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 从电子学理论可知，任何一种数据选择器的模拟开关都不具备理想的开 关特性。导通电阻及其导通电阻路差的存在是一种必然现象。根据欧姆定律可 知，当这个导通电阻作用于信号回路中时，必然影响系统的信号传递精度。同 理，当该项目的6 4 个模拟开关并行工作时，其各路之间的导通电阻路差也必 然将造成信号传递通道的阻抗不一致性而导致信号传递误差。如果这一不利因 素不能得到很好处理，最终都将以增加检测误差的形式表现出来。 但是，当采用数据放大器时，这些导通电阻及导通电阻路差己经被作为 数据放大器的等效输入电阻来分析。由于导通电阻只有数十欧姆，导通电阻路 差只有数欧姆，而数据放大器的输入阻抗达g 欧姆级，通过简单的数学运算可 知，在采用数据放大器进行阻抗隔离后，由于导通电阻造成的附加误差几乎可 以忽略不计，导通电阻路差造成的6 4 路信号传递阻抗不一致问题也就迎刃而 解了。由于采用数据放大器后数据放大器的高输入阻抗特性消除了数据选择器 的导通电阻所诱发的信号传递阻抗不一致性所造成的附加误差，所以，我们将 这种现象描述为阻抗遮蔽效应。 a d 6 2 0 数据放大器模块的硬件资源如图3 4 所示。在该图中，其第2 、3 脚分别接a d g 4 0 7 的d a 、d b 输出端。第6 脚为单端信号输出端。 图3 4 数据放大器a d 6 2 0 3 22 31 6 位高速n d 转换器 a d 转换环节用以完成数据采集的模数转换任务。但是，由于该项目所具有的 一系列特殊技术要求的原因，所以这里所采用的a d 转换器除去一般a d 转换 器应具有的通用技术指标外，还应满足如下两项过硬的技术指标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 i 、确保1 个字长的分辨率。 ii 、2 0 万次秒的模数转换速度。 v i n r e f a g n a d a g n d 2 c a p v c c d g n d 高速 高精度 , o 转换器 a d 9 7 6 数据线低八位 数据线高八位 图3 - 5 a d 转换器a d 9 7 6 根据前述特殊要求，我们在这里采用的是a d 9 7 6 a 。其硬件资源配置如图 3 - 5 所示。 在图3 5 中，在a d 9 7 6 的第5 、4 脚之间，第3 、2 脚之间加上一个2 2 u f 的电容。并且a g n d l 、a g n d 2 、d g n d 均接地。片选c s 接地，b u s y 悬空。当b y t e 为低电平时，d 0 一d 7 上出现的为采集数据的低字节，d 8 一d 1 5 则反之；当b y t e 为高电平时，d 0 d 7 上出现的为采集数据的高字节，d 8 - - d 1 5 则反之。r c 引 脚当为低电平时，a d 9 7 6 进行转换，当为高电平时a d 9 7 6 转换结束。 3 2 _ 2 4 并行数据传输 将存储器中的采集数据通过并行口递给工控机。 3 2 2 5 总线驱动 对c p l d 控制对外释放的地址、数据、控制总线进行驱动放大，以增加这 些总线的驱动能力，进而保证系统的可靠性及稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 2 2 6 存储器部分 对a d 9 7 6 采集后的数据进行存储。本系统用到两片外部r a m ( m s 5 2 v 1 0 0 1 ) 。 一片用来对采集数据进行存储，另一片用来读取采集数据以便与工控机进行并 行口通讯。在系统正常运行中，两片r a m 轮流进行读写操作，这将大大提高并 口通讯速度及数据吞吐量。存储器模块图3 6 所示。 地 存储器 m $ 5 2 v 1 0 0 1 数据 图3 - 6 外部存储器m s 5 2 v 1 0 0 1 从图3 - 6 可以看出其硬件资源配置为：a d d a o - - a d d a l 5 为1 6 位地址线， 存储容量为6 4 k b i t 即8 k b y t e ；w e ：存储器写信号，低有效，高无效；o e ：存储 器读信号，低有效，高无效；c s ：片选低有效，高无效；v c c ：电源( 3 5 v ) 。 3 2 2 7 c p l d 核心处理器 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b i ll o g i cd e v i c e ) 复杂可编程逻辑器件与5 1 系列、1 9 6 系列等单片c p u 芯片相比，就逻辑控制速度而言，前者的逻辑控制 速度是后者的数十倍，而且控制指令简单，体积小，便于系统集成。 a d 9 7 6 启动转换 和数据选择器i o 并行口i o 外部r a m 2 端口 端口 i o 端口 o 端口 o 端口o 端口 图3 7c p l d ( a c e x i k - - 5 0 ) 硬件资源示意图 在该项目中，为了实现系统所要求的采样实时性( 每个整流元件的在每 个工频周期为2 0 0 点秒) 和采样同步性这两项根本性技术指标，一开始我们 将采样控制的核心设计成“一片8 0 1 9 6 k c 管理8 片8 9 c 5 1 的”c p u 阵列，期望 利用该阵列实现前述两项技术指标，但是通过试运行测试发现如下几个根本性 障碍。 i 、c p u 的指令周期长。尤其是采用哈佛结构c p u 内核的5 1 系列单片 机的累加器效应更为突出，远远满足不了控制速度的需要。 ii 、单片机的数据运算资源基本没有利用，造成资源浪费。 i i i 、体积庞大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 针对采用c p u 阵列所存在的前述关键问题，我们根据可控硅整流柜的基 本物理特性，进行了针对性的物理试验，然后根据这些物理试验获得的大量原 始数据资源，几经摸索建立起一个相对合理的数学模型。 所谓数学模型，实质上就是该项目实现动态数据采集而必须的闭环控制 方程。依据该方程的相关诸元、节点、极点等特性，我们确认了“采取c p l d 为数据采集核心控制器”的基本方案。 根据本系统“全方位、同步、实时”等基本技术特性的特殊要求，我们 最终选择了a l t e r a 公司f l e x i o k 系列中的可编程逻辑器件a c e x l k 一5 0 ，其总引 脚数为2 0 8 ，用户可用的i o 端口数为1 3 8 ，完全可以满足该项目为实现“全 方位、同步、实时”的基本技术指标所需的资源需求。且由于其实现控制都是 基于单独的i o 端口进行，没有端口复用现象，从而大大地提高了系统的采集 速度。该c p l d ( a c e x l k 一5 0 ) 的硬件资源如图3 7 所示。 在图3 7 中，我们根据该项目具体技术需求已经对c p l d 的资源进行了分 配。以下根据系统流程的先后次序对资源分配方案进行介绍。 a d 9 7 6 ( 1 ) i o 端口：表示c p l d 控制第一片a d 9 7 6 进行a d 转换的 i o 端口。其中s e l o 为采集数据的高低字节选择信号。s e l o = o ，采 集低字节数据，s e l o = i 采集高字节数据：p a 0 一p a 7 ：c p l d 与a d 9 7 6 ( 1 ) 之间的数据线。 a d 9 7 6 ( 2 ) i o 端口：表示c p l d 控制第二片a d 9 7 6 进行a d 转换的 i 0 端口。具体控制信号为：s e l l 、p b 0 一p b 7 ，定义同上。 a d 9 7 6 ( 3 ) i o 端口：表示c p l d 控制第三片a d 9 7 6 进行a d 转换的 i o 端口。具体控制信号为：s e l 2 、p c o p c 7 ，定义同上。 a d 9 7 6 ( 4 ) i o 端口：表示c p l d 控制第四片a d 9 7 6 进行a d 转换的 i q 端口。具体控制信号为：s e l 3 、p d o - - p d 7 ，定义同上。 a d 9 7 6 ( 5 ) i o 端口：表示c p l d 控制第五片a d 9 7 6 进行a d 转换的 i o 端口。具体控制信号为：s e l 4 、p e o - - p e 7 ，定义同上。 a d 9 7 6 ( 6 ) i o 端口：表示c p l d 控制第六片a d 9 7 6 进行a d 转换的 i o 端口。具体控制信号为：s e l 5 、p f o - - p f 7 ，定义同上。 a d 9 7 6 ( 7 ) i o 端口：表示c p l d 控制第七片a d 9 7 6 进行a d 转换的 i o 端口。具体控制信号为：s e l 6 、p g o - - p 6 7 ，定义同上。 a d 9 7 6 ( 8 ) i o 端口：表示c p l d 控制第八片a d 9 7 6 进行a d 转换的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 i o 端口。具体控制信号为：s e l 7 、p h o p h 7 ，定义同上。 控制外部r a m i i o 端口：表示c p l d 控制第一片外部r a m 进行读写的 i o 端口。具体控制信号为：o e a 、w e a 、a d d a o a d d a l 5 、d a t a o d a t a 7 ， 这些信号的具体功能为： i 、o e a ：r a m l 读信号，低有效，高无效。 i i 、r a m i 写信号，低有效，高无效。 i i i 、a d d a o - - a d d a l 5 ：r a m l 地址线。 i i i i 、d a t a o - - d a t a 7 ：r a m l 数据线。 控制外部r a m 2 的i o 端口：表示c p l d 控制第二片r a m 进行a d 转 换的i o 端口。具体控制信号为：o e b 、w e b 、a d d b o a d d b l 5 、 d a t b o d a t b 7 定义同上。 并行口i o 端口：c p l d 并行方式与工控机进行通讯的i o 端口。 具体定义如下：c r e q u e s t ( 并行口的第1 1 脚) 外设控制信号，由 c p l d 控制，工控机查询。c s t a t e ( 并行口的第1 4 脚) 查询工控机 状态，由c p l d 查询，工控机控制。 a d 9 7 6 启动转换和数据选择器i o 端口：表示c p l d 控制a d 9 7 6 启 动转换引脚进进行转换i o 端口及c p l d 控制数据选择器开通相应 的数据采集通道。具体定义如下： c p s t a r t ：a d 9 7 6 启动转换信号。c h o 、c h l 、c h 2 ：控制数据选择器 选取相应的采集通道信号。 图3 7 所有外围设备的功能接口全部根据c p l d 所定义的i o 端口来设 计。各外围设备的控制线与c p l d 的i o 端口对应关系对照表如表3 - 2 所示： 3 2 3c p l d 各控制模块的时序说明 从该项目的实际工程需要出发，我们将数据采集系统按功能划分为数据 采集模块、存储模块、并行口通讯模块三个部分来描述。以下，分别结合各个 模块的功能，进一步分析c p l d 对各个模块的控制时序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表3 1 外设可控制线与c p l du o 端口对应关系对照表 外设 c p l di o 引c p l d 外设信号端 信号端脚i o 引脚 c h o c h 26 7 、6 5 、6 4a d d a o a d d a l 5 1 9 9 2 0 0 72 0 2 ，2 0 32 0 4 、2 0 5 ， a d g 4 0 7 通道选外部r a m l 地址线 2 0 6 、2 0 7 、1 9 1 、1 9 0 、1 8 6 、1 8 9 、 择信号 2 0 8 、1 9 2 、7 、1 9 5 s e l o s e l 78 、1 8 、3 7 、a d d b o a d d b l 51 6 1 、1 6 6 、1 6 7 、1 6 8 、1 6 9 、1 7 0 、 a d 9 7 6 采集数据5 3 、6 8 、8 6 、外部r a m 2 地址线1 7 2 、1 7 3 、1 5 7 、1 4 0 、1 4 3 、1 4 1 、 高低字节选择9 6 、1 1 2 1 7 4 、1 5 8 、1 7 5 、1 6 0 信号 c p s t a r t2 6d a t a o d a t a 71 9 6 、1 9 7 、1 9 8 、1 7 9 、1 7 7 、1 7 6 、 a d 9 7 6 启动转换外部r a m l 数据线1 8 0 、1 8 4 信号 p a o - p a 79 、1 1 、1 2 、d a t b o d a t b 71 6 2 、1 6 3 、1 6 4 、1 5 0 、1 4 9 、1 4 8 、 第一片a d 9 7 6 数1 3 、1 4 、1 5 、外部r a m 2 数据线 1 4 7 、1 4 4 据线 1 6 、1 7 p b o p b 72 5 、2 8 、2 9 、0 e a 、o e b1 8 7 、1 4 2 第二片a d 9 7 6 数2 4 、2 7 、3 0 、外部r a m l 、r a m 2 读信 据线3 l 、3 6号 p c o p c 7 3 8 、3 9 、4 0 、w e a 、w e b 1 9 3 、1 5 9 第三片a d 9 7 6 数4 1 、4 4 、4 5 、外部r a m l 、r a m 2 写信 据线 4 6 、4 7 号 p d o - p d 7 5 4 、5 5 、5 6 、c r e q u e s t1 2 7 第四片a d 9 7 6 数5 7 、5 8 、6 0 、c p l d 准备好发送数据 据线 6 l 、6 3 请求信现 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 表3 2 ：外设可控制线与c p l di o 端口对应关系对照( 续表3 - 1 ) 外设 c p l d 外设信号端c p l d i o 引脚 信号端i o 引脚 p e o p e 7 第五6 9 、7 0 、7 l 、c s t a t e1 3 l 片a d 9 7 6 数据 7 3 、7 4 、7 5 、 c p l d 查询工控机状 线 8 3 、8 5 态信号 p f o p f 7 第六 8 7 、8 8 、8 9 、d a t a c o d a t a c 71 2 5 、1 2 6 、1 2 8 、1 3 2 、1 3 3 、 片a d 9 7 6 数据9 0 、9 2 、9 3 、c p l d 与工控机通讯1 3 4 、1 3 5 、1 3 6 线9 4 、9 5 数据线 p g o p g 79 7 、9 9 、1 0 0 、 第七片a d 9 7 61 0 2 、 1 0 3 、 数据线 1 0 4 、1 1 1 p h o p h 71 1 3 、1 1 4 、 第八片a d 9 7 61 1 5 、1 1 6 、 数据线 1 1 9 、1 2 0 、 1 2 l 、1 2 2 3 2 3 1c p l d 关于模数转换的控制时序 c p l d 通过控制i o 端口( c h o 、c h l 、c h 2 ) 选取采集模拟通道。c p l d 对 c h o 、c h l 、c h 2 每赋值一次。该赋值的地址指针向量即同时分别选定( 开启) 8 片高速数据选择器( a d g 4 0 7 ) 的八条数据通路，被选中的这八条数据通路对应 的模拟量即分别通过各自的通路分别进入对应的a d 9 7 6 进行模数转换。 设a d 9 7 6 的完成一次a d 转换的时间为5 us ( 理论转换时间为3us ) ， 那么，待完成第一路模拟量的模数转换以后，c p l d 依次对c h o 、c h i 、c h 2 重新 赋值，完成下一轮8 路模拟量的数据采集。如此周而复始循环8 次即完成8 通 道6 4 路模拟量的数据采集。 由于c p l d 具有并行处理事物能力，所以在它采集数据的同时，还将模数 转换结果，依据系统的约定将数据写入外部的r a m 的对应地址空间。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 仍然是由于c p l d 具备并行处理事物能力的原因，所以当外部r a m 的数据 存满时，在启动另外一片r a m 的同时，将已经存满数据的r a m 中的数据发往工 控机。 c p l d 实现数据采集的具体控制时序循环描述如下： ( 1 ) 、c p l d 对i o 端口( c h o 、c h l 、c h 2 ) 赋值，通过高速数据选择器( a d g 4 0 7 ) 选取数据采集模拟通道。 ( 2 ) 、延时2 0 0 n s ，令模拟开关充分导通，即让选中的模拟量充分到达 a d 转换器的输入端。 ( 3 )