（电力系统及其自动化专业论文）基于以太网的厂站同步监控系统.pdf

a b s t r a c t w i t ht h eu s i n go fm u c hm o r ea d v a n c e dt e c h n i q u eo ft r a n s d u c e r , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t , m o d e mp o w e rs t a t i o nm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dm o n i t o r i n g s y s t e mi sd e v e l o p e df r o mp r i m a r ys c a d as y s t e mt ow i d ea 鹋am e a s u r e m e n t s y s t e mw h i c h i t sf u n c t i o n ss p r e a di n t os t a t ee s t i m a t i o n , d y n a m i cs t a b i l i t ym o n i t o r i n g ， f a u l t sa n a l y z i n ge t cf i e l d s a m i c r o p r o c e s s o r - b a s e ds y n c h r o n i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mi sb u i l d u pb yt h r e ep a r t h y p o g y n yd a t as a m p l i n gs y s t e m ，e p i g y n yd a t as e r v i n gs y s t e ma n db a c k g r o u n d m o n i t o r i n gs y s t e mi nt h i sp a p e r b a c k g r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p o s e do f y a n h u ai n d u s t r yc o n t r o lm a c h i n ea n dp c ib a s e dd a t ab o a r d sw h i c hg u a r a n t e e st h e s a m p l i n gd a t ar e l i a b i l i t ya n di m p l e m e n t st h er e a lt i m ep h a r o sc a l c u l a t i o n t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s 、i t l la n s w e r i n gm e c h a n i s ma r ea d o p t e dt oe n s u r et h eh i g h c o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t yb e t w e e nh y p o g y n yc o m p u t e ra n de p i g y n yd a t as e r v e r a c o m m o na n de x p a n d a b l ed c o mi n t e r f a c ei s d e s i g n e db yu s i n gt h ed i s t r i b u t e d c o m p o n e n to b j e c tm o d e lt e c h n i q u ew h i c hp r o v i d e st h ed a t ai n t e r f a c ef o rt h ed a t a s r v e l a n db a c k g r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e ma n do t h e ro n l i n ea n a l y s i ss y s t e m s e v e r y d e v i c es u c ha sg e n e r a t o r , t r a n s f o r m e r , l o a d , t r a n s m i s s i o nl i n ea n de t ca r ec o n s t r u c t e d b yf u n d a m e n t a lm e t a f i l ei nt h eb a c k g r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e m r e a l t i m ea n dh i s t o r y d a t a b a s ea r eb u i l dt oo f f e rd a t as u p p o r tf o rt h ed y n a m i cc u r v ed i s p l a y i n g , h i s t o r y s i g n a la n dc o n t r o l l i n gr e c o r ds t o r i n gm a n a g e m e n t ，r e p o r t sf o r m sp r i n t i n g , o f f - l i n ed a t a a n a l y z i n ga n de t c t h es y n c h r o n i z e dp h a s o r sa r eu s e df o rg e n e r a t o rq u a s i s y n c h r o n i z ep a r a l l e l i n gi n t h i sp a p e r t h ep h a s o rm e a s u r c l t l e n ta l g o r i t h mb a s e do nt h ec o m p o s i t i v ep h a s o ro f t h r e ep h a s e sa n da f o r e c a s t i n gm o d e lb a s e d o nt h es u b s e c t i o nc o n s t a n ta c c e l e r a t i o no f s l i pf r e q u e n c yi sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb e t t e rp e r f o r m a n c ei s a c h i e v e di nf a s t i n gp a r a l l e l i n ga n dr e d u c i n gc o n c u s s i o nc o m p a r et ot h et r a d i t i o n a l s i n g l ep h a s em e a s u r e m e n t sa n df o r e c a s t i n gm o d e l s ， k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，d a t ag a t h e r i n g ，s y n c h r o n i z e dm o n i t o r i n g ，p h a s o r m e a s u r e m e n t , d a t a b a s e ，q u a s i s y n c h r o n i z ep a r a l l e l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嗲彬签字日期：2 矿口年z 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 罗彬 签字日期：年z 月形日 导师签名： 澎炳占 签字日期：0 年2 月哕日 第一章绪论 第一章绪论 随着世纪之交的微电子技术、计算机技术和通信技术的突飞猛进，由微机监 控和继电保护所形成的发电厂与变电站综合自动化技术获得了显著的发展和进 步。基于同步相量测量技术和现代通信技术的广域测量系统则为电网向着大面积 实时监测和控制方向的发展提供了先进的和可能的信息技术平台。 1 1 监控技术的发展历程 早期的远动技术可以追溯到2 0 世纪的4 0 年代到7 0 年代，是在自动电话交 换机和电子技术基础上逐渐发展起来的。最早用于电力工业的远动设备以电话继 电器、步进器和电子管为主要元件。随着半导体技术的发展，6 0 年代开始出现 晶体管无触电式远动设备，7 0 年代出现集成电路远动设备，这一阶段的远动设 备有如下主要特点： ( 1 ) 不涉及软件，设备都是由硬件制造的，即为非智能硬线逻辑方式； ( 2 ) 核心硬件是晶体管以及中小规模集成电路芯片，其芯片采用的是p m o s 技术，后来才是c m o s 技术和r r l 技术； ( 3 ) 设计理念是面向全厂或全站，采用集中组屏方式； ( 4 ) 置于厂站端的终端设备与置于远方控制中心或调度中心的接收设备均 为一对一方式； ( 5 ) 远动设备内部各部分之间以并行接口技术为主，很少或几乎不采用串行 接口技术； ( 6 ) 与远方控制中心或调度中心之间的通信以电力线载波技术为主，且多为 复用方式； ( 7 ) 大部分远动设备只完成遥测，遥信功能。 上世纪8 0 年代到9 0 年代前几年，由于微处理器芯片( c p u ) 和各种作为外 围电路的大规模集成电路的出现和应用，远动设备从早期方式进入了中期发展阶 段。同时，它又与个人计算机( p c ) 相结合，出现了所谓的数据采集与监控系 统，即s c a d a 系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 。广义的s c a d a 系统不仅包括了早期的远动设备，也包括调度自动化中的完整的主站系统。这意 味着远动将向提高传输速度、应用智能控制技术对所采集的数据进行预处理和正 确性校验等方向发展。 第一章绪论 中期的远动技术有如下主要特点： ( 1 ) 以单或多微处理芯片c p u ( 8 1 6 3 2 位) 和嵌入式软件为核心： ( 2 ) p c 机的应用极大地提高了远动设备的应用水平，拓宽了人机联系的范 围和远动技术的应用空间； ( 3 ) 在采用多处理器设计时，设备内部逐渐从并行接1 3 技术转向以串行接e l 技术为主； ( 4 ) 仍然采用集中组屏方式的面向全厂或全站的设计理念； ( 5 ) 厂站端内的终端设备与远方控制中心或调度中心的接收设备逐步从一对 一方式发展为一对 ，方式，即一台或二台前置接收设备可以接收多达n ( 1 ) 个以上的厂站端设备； ( 6 ) 与远方控制中心或调度中心之间的通信方式除了电力载波之外，还有诸 如微波、特高频、邮电线路、光纤等多种方式； ( 7 ) 远动功能由二遥( 遥测、遥信) 发展到四遥( 遥测、遥信、遥控、遥调) ， 且增添了若干附加功能。 图1 1 表示了一个典型的中期远动系统的基本构成。 -i 控制站i。i 被控站t 调 度 员 人机设备；远动设备： ；：远动设备 过程设备 ：d t e ： ： ：d t e 告警：状杏， l 模拟屏e 二； i 帕 阻早。7 一叫d c ehd c e t - 翻笑嚣 l _ - l i * c ： 卜j ( m o d e m ) h ( m o d e m ) 卜 m 处理机 自换跨夸1 信息输i 打印机匠处理机 ：传输线 1 尬 卞1 出设备 l 记录仪表 j = ：( 通道) 逗动通弹 l 控制台e 之 ( 数据电路) 加 兰竿匀调节器 广义远动系统 - - - - - l - l - l - 人机接口 远动设备与远动设备与 人机设备接口d c e 接口 远；i 晤与远i 蠢晤与 d c e 接口人机设备接口 图1 - 1 远动系统的基本构成 过 程 上个世纪末到本世纪初，由于半导体芯片技术、通信技术以及计算机技术的 飞速发展，远动技术已经从早期、中期发展到当前的厂站自动化技术阶段。其主 要特点如下： ( 1 ) 以i e c 关于变电站的结构为准，真正以分层分布式结构取代传统的集中 式结构； ( 2 ) 在设计理念上不是以整个厂站作为设备所要面对的目标，而是以间隔和 2 第一章绪论 元件作为设计的依据，把厂站分为三个层次，即厂站层( s t a t i o nl e v e l ) 、间隔层 ( b a yl e v e l ) 以及过程层( p r o c e 鹤l e v e l ) ； ( 3 ) 厂站层主单元的硬件以高档3 2 位工业级模件作为核心，配有大容量内 存、闪存以及电子固态盘和嵌入式软件； ( 4 ) 现场总线和光纤通信为实现功能上和地理上采用分布式结构提供了物质 基础： ( 5 ) 网络尤其是基于t c p i p 的以太网在厂站自动化中的应用； ( 6 ) 智能电子装置( i e d ) 的大量应用，诸如继电保护装置、安全自动装置、 电源、五防、电子电能表等均可视为i e d 而纳入一个统一的厂站自动化系统中； ( 7 ) 与继电保护、各种i e d 、远方调度控制中心交换数据所使用的规约更加 与国际接轨。 由于采用了分层分布式的结构，导致传统上相对独立的远动和继电保护逐步 融合与统一，这样远动技术就上升到一个完全崭新的高度，其传统概念与内涵有 了质的不同。这样的技术称为厂站自动化技术，由此而诞生的系统( 不是一个装 置) 称之为厂站自动化系统。 1 2 广域测量系统 随着全国联网、西电东送、南北互供等工程的开展，我国电网的规模正日益 扩大，电网结构日趋复杂，进而对大电网的安全稳定提出了更高的要求。在过去， 由于缺乏经济合理的高精度的时间源以及受数据通信条件的限制，传统的 s c a d a 系统实际上是一个分散处理系统，在时间上是异步的，在空间上是局部 的，以其为基础的能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，简称e m s ) 只是 潮流水平上的电力系统稳态行为分析。它与电力系统结构上的整体性、时间上的 同时性、本质上的非线性不相适应，不能满足超大规模电力系统振荡抑制与控制、 系统保护和动态安全防御等各方面的需求。在新的电力市场环境下，电网也迫切 需求快速的、在线的，动态安全稳定监视和控制系统。 近年来，全球定位系统( g l o b a lp o f i f i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 技术走向民 用化，不但应用于军事领域，还被广泛地应用于电力、航海、交通等领域。g p s 具有精度高( 微秒级) 、覆盖范围大、不需要通道联络、不受地理和气候条件限 制等优点，为电力系统分散的测量装置提供了一个廉价的、高精度的时间基准源。 同时，随着以太网技术和光纤技术的发展，当前的电力通信网具有高可用性、高 可靠性( 具有较高的q o s 等级) 和高安全性，各个电厂、变电站内部以及它们 与调度中心之间有可能实时地交换大量信息。正是这样的技术背景，促使人们构 第一章绪论 建一个适合于电力系统动态分析的信息技术平台广域测量系统( w i d ea r e a m e a s u r e m e n ts y s t e m ，简称w a m s ) ，它是当今各国争相研究开发的新兴科技领 域之- - 1 1 1 。 广域测量系统主要由三部分组成：装有同步相量测量单元( p h a s e m e a s u r e m e n tu n i t ，简称p m u ) 的子站，覆盖全网的通信网络、位于调度中心的 监测控制系统【2 】。 p m u 的研究起步于2 0 世纪8 0 年代的美国1 3 - 7 1 ，1 9 8 2 年至1 9 8 6 年处于概念 阶段，1 9 8 6 年至1 9 8 8 年处于试验装置阶段，1 9 8 8 年至1 9 9 1 年处于系统中试运 行阶段。1 9 9 2 年以后工业化产品问世，当时的采样频率达到2 8 8 0 h z ( 电网频率 6 0h z ，一个周波采集4 8 点) ，a d 转换器为1 6 位。在标准化工作方面，1 9 9 5 年诞生了i e e e1 3 4 4 ，2 0 0 1 年修订为c 3 7 1 1 8 。目前，美国西部w e c c ( w e s t e r n e l e c t r i c i t yc o o r d i n a t i n gc o u n c i l ，美国西部电力系统协调委员会) 系统安装了近 5 0 台p m u ，主要用于动态记录和模型修正。北美电力系统安装了4 7 台p m u ， 监视约1 2 0 0 个信号，主要用于动态记录、分析和建模。t v a ( 田纳西流域管理 局) 经过优化设计，在6 0 0 条线路中的6 9 条主干线上安装了p m u ，可以观测到 整个系统。美国的许多电力公司都安装了p m u ，少则2 台、多则l o 多台。在欧 洲，西班牙的c s e 首次将p m u 信息用于状态估计，法国东南部系统、北欧系统、 英国电网也都部分安装了p m u 。 我国有关工作起步于1 9 9 5 年睁1 2 1 ，目前有中国电力科学研究院、清华大学、 华北电力大学、华中科技大学、山东工业大学、西安交通大学、河海大学等单位 从事研究开发工作。国家电力调度通信中心在阳城、全国联网工程、三峡工程部 分安装了p m u ，拟进一步全面安装构成系统；省电力调度通信中心安装p m u 的 有河南、广东、黑龙江、辽宁、河北、江苏、福建、四川等。其中，河南电网在 所有发电厂和4 个5 0 0k v 变电站都安装了p m u ，是国内首次构建系统级w a m s 的电网。 目前，国内外研制的基于g p s 的p m u 装置有很多。欧美国家的大多数装置 只是测量电气相角而非功角，而我国研制的部分p m u 装置能够直接测量发电机功 角。相角测量原理上基本可分为两大类：一类是采用过零检测法；另一类是傅里 叶变换法。考虑到成本问题，现阶段采用过零检测法的装置居多。文献【1 3 】提出 了一种模块化的测量装置，由g p s 模块、监控模块和多个测量模块组成，监控 模块有两个c p u ，一个负责快速运算和数据处理，一个负责上下通信处理( 通 过r s 4 2 2 总线与测量模块连接，通过数据接口箱与远程通信网连接) 。文献 1 4 】 研制了一块插入工控机的i s a 总线扩展板，它由g p s 接收板，模数变换器，2 个8 位高速微处理器8 0 c 3 2 0 和双口r a m 构成，其中一个8 0 c 3 2 0 接受处理来自 4 第一章绪论 g p s 的时问报文，而另一个负责模数变换器的数据采集工作，并通过双口r a m 实现和p c 的通信。文献【1 5 】开发了一块i s a 总线的数据采集卡，它采用w i n b o n d 公司的8 位微处理器w 7 7 e 5 8 作为主控单元，通过引入外部g p s 时钟信号，用 两片m a x l 2 5 同步采样芯片进行数据采集；采集的数据循环存入两片双口r a m ， p c 通过i s a 总线读取双口r a m 中的数据。文献【1 6 】提出的p m u 方案以d s p 为 处理单元，利用g p s 时钟信号作为采样脉冲，通过1 6 位a d 转换器对交流信号 进行采样；数据通过双口r a m 送至p c 机，再由p c 机实现上传。文献 1 7 】实现 了通过以太网通信的p m u 装置，它由g p s 接收机、a d 转换器、2 个d s p 和以 太网控制器组成；来自g p s 的时间信号接入到高精度的振荡器，使振荡器输出 精确的脉冲，各a d 转换器以此脉冲为信号对被测量信号进行同步采样保持操 作；同时g p s 接收机经标准串口将国际标准时间信息传送给数据采集装置，用于 给采样数据加上“时间标签”；一个d s p 进行数据采集工作，一个d s p 负责通 信工作，采样结果不但可以通过标准串口输出，还可以通过以太网控制器直接传 入局域网和广域网。 文献 1 2 1 提出了一个完整的监控系统，其结构如图l - 2 所示。图中各上位机 与其相连的下位机共同组成一套基本的p m u ，各p m u 独立地从g p s 系统得到 高精度时钟，并以此为基础进行数据采集和相角测量及其他工作。 主战中央处理机i 主战中央处理机2 广域网 局域网掣l 圭垡塑l 掣局域网 下位机i i 下位机i l 下位机l l 下位机 控制) ( 数采) ( 定时 对象l g p s 定时系统 ，数据流一一，控制流 图1 2 全网同步监控系统硬件示意图 采用上下位机结构的目的是提高p m u 单元对不同应用场合的适应性，下位 机与上位机之间采用高性能的局域网连接，各p m u 的测量结果除按需要在本地 进行适当的显示和记录外，必要的信息通过广域网送到主站中央处理机进行集中 处理。该系统与前2 个系统相比，其通信系统采用了局域网和广域网通信技术， 并且设置了专用的控制通道，使整个系统功能更强大，结构更加合理。 第一章绪论 文献 1 3 1 提出如图l 一3 所示的华东电网w a m s 结构。介绍了华东电网的广域 测量系统( w a m s ) 的结构、功能以及应用情况。还对华东电网新一代w a m s 系 统，即广域监视分析和系统保护系统( w a m a p ) 的结构、功能以及未来的发展进 行了介绍和分析。w a m a p 加强了数据整合和实时分析功能，能够为调度人员提 供高质量的电网实时动态信息和辅助决策信息。 桌面浏览器桌面浏览器桌面浏览器 ! 竺! 竺兰竺! 查璺兰兰竺! 竺苎竺 钾翟翟管 图l - 3 华东电网w a m s 结构 针对全国联网，文献【1 8 】提出了一个全国性的w a m s ，由国家调度中心、网 调度中心、省调度中心和就地监控4 级组成，如图1 - 4 所示。相角信息可以上行， 也可下行。该系统的中心处理机设置于省调或网调中心，同一网局内的省调之间 可以交换信息，国家调度中心的相角信息来自于各网局，而网局的相角信息来自 于各省调度中心；国调、网调和省调在各自的范围之内，能看到全局、局部或相 邻局部的相角矢量图，并可根据系统的运行状况或受扰大小及时作出调整。 图1 4 全国性的w a m s 当前，国内外应用w a m s 或p m u 已经实现的功能有【】睨1 】： ( 1 ) 在线记录全网时间同步的故障信息故障录波，用于事故反演和分 析。这是目前国内外w a m s 或p m u 普遍具有的基本功能。 6 第一章绪论 ( 2 ) 将电网的部分实测结果引入全网的状态估计。例如，西班牙电力公司联 合美国s e p s c 公司( s i e m e n te m p r o sp o w e rs y s t e mc o n t r 0 1 ) 在其本土的1 0 0 条 母线上加入2 3 台相角测量装置( 相角测量误差小于o 1 2 。) 后进行状态估计， 结果表明，由于电网的部分实测结果的引入，整个电网状态的估计精度有了很大 提高。 ( 3 ) 功角监视。通过p m u 获得发电机以及各节点的功角空间矢量簇，使调 度人员在调度中心的屏幕上能够清楚地看到系统各处的功角拉开、合拢及其演变 轨迹。 近期可能实现的应用功能包括叫1 柳： ( 1 ) 静态安全监视与控制。实时判断是否会出现静态安全问题，并确定预防 控制措施。 ( 2 ) 低频振荡监视与控制。在线监视机组之间的功角波动情况，如果发现弱 阻尼或负阻尼振荡模式，则采取控制措施。 ( 3 ) 参数辨识。利用w a m s 测量数据，进行发电机、变压器以及负荷参数 的辨识。 广域测量系统应用功能开发的最终目标是建立新一代e m s ，p m u 可能结合 或替代r t u ( r e m o t et e r m i n a lu m t ，远程终端设备) ，w a m s 可能结合或替代 s c a d a 。 1 3 本文的主要工作目标和内容 本文为天津大学自动化学院动态模拟仿真实验室( 天津市重点实验室) 设计 开发了一个基于以太网的厂站同步监控系统，如图1 5 所示。它不仅实现了传统 s c a d a 系统的“四遥”功能，还可作为广域测量系统的子站监控系统，为广域 测量系统提供带有时间标签的实时数据信号，为系统动态稳定分析等提供接口及 数据支持。 数据采集系统li 数据采集系统l l 数据采集系统l l( 下位机)j( f 位机)( 下位机) 通信接口 = = 婪j 以太网 数据服务器l ( 上位机) l 后台监控系统 图1 - 5 系统结构图 7 第一章绪论 本文工作的主要内容如下： 1 利用工业控制机的优点，设计开发一套基于p c i 数据采集控制卡的下位 机数据采集系统，实现数据的可靠采集、命令的发送和信号相量的实时测量。 2 采用基于t c p i p 的s o c k e t 技术，设计上、下位机的数据的通信传输， 收集汇总带有时间标签的实时测量相量，并运用d c o m 技术，为数据的分发提 供接口。 3 采用面向对象技术设计编写后台监控系统的图形绘制程序，应用数据管 理系统( d b m s ) ，为数据的存储、处理、历史记录、故障分析处理等服务。 4 将同步测量信号应用于发电机准同期并网领域，建立一种基于三相合成 相量的发电机并网条件估算模型，并对该模型进行仿真、分析。 8 第二章数据采集系统 第二章数据采集系统 数据采集系统是实时获取设备单元信号的基础。近年来，工业p c 的i o 接 口产品已经变得越来越精确，可靠而且容易购买。基于p c 的数据采集系统已经 广泛应用于工业现场及实验室。工业个人计算机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r , 简称i p c ) 凭借其可靠的性能、丰富的软件和低廉的价格已广泛应用于通讯、工 业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。 2 1 系统硬件设计 高精度的时间基准和可靠的数据采集是广域测量系统基础。本下位机采用了 研华工控机，它配置了p 4 双c p u 系统，具备了高速的计算性，提供了丰富的扩 展接口嘲1 。配备插入式数据采集控制卡，通过程序的编制，可靠的实现了对开关 量信号及模拟量信号的输入输出。下位工控机中插入式数据采集控制卡为 p c i 1 7 3 3 、p c i 1 7 5 1 、p c i 2 0 0 8 和p c i 1 7 2 0 ，它们分别代表数字信号量输入卡、 数字信号量输出卡、模拟信号量输入卡和模拟信号量输出卡。 2 1 1 开关量信号输入模块 开关量信号输入由p c i 1 7 3 3 完成。p c i 1 7 3 3 为3 2 路隔离数字量输入卡。它 具有3 2 路隔离双向数字量输入通道、高电压隔离( 2 5 0 0 ，) 、中断能力、用 于隔离输入通道的d 型接口、为隔离输入通道预留电压保护( 可到2 4 ，) 等特 点。它是要求采取高电压隔离工业应用的理想选择，可应用于工业开关控制， 触电闭合监控，开关状态检测，b c d 接口，数字量输入控制等。 p c i 1 7 3 3 的主要规格为： 输入通道数量：3 2 ( 1 6 - o h g r o u p ) ； 中断输入：4 ( i d l 0 ，i d i i ，i d l 6 ，i d l 7 ) ； 中断级：2 ，3 ，5 ，7 ，1 0 ，l l ，1 2 ，1 5 ； 输入电压：5 - 2 4 ，； 输入阻抗：1 2 艘 0 5 w ； 光隔离：2 5 0 0 ； 吞吐量：1 0 k h zm a x ； i o 接口器类型：3 7 - p i n d 型电缆； 9 第二章数据采集系统 图2 1 为p c i 1 7 3 3 数字输入简易电路及外部接口定义图。 e k t e r n a lc i r c u i t r yii n t e r n a lc l r c u n _ i t y d c ( 5 - 2 4v 1 g n d 1 d i 隔离数字量输入 e g n d 隔离输出的外部接地 e c o m 隔离输入的外部共用点 i d i o i d l 2 1 4 i d l 6 e c o m o m i l 9 i d i l l i d i l 3 h 1 5 i d l l 6 i d l l 8 l d l 2 0 l d l 2 2 b c o m 2 i d l 2 5 i d l 2 7 i d l 2 9 1 d 1 3 1 b g n d 图2 - 1p c i 1 7 3 3 电路及接口定义图 i d l l i n l 3 i d b i d l 7 l d i s i d l l o i d i l 2 i d l l 4 e c o m l i d i l 7 i d i l 9 l i d l 2 1 i d l 2 3 i d l 2 4 ”2 6 i d l 2 8 i d d 0 e c o m 3 图中i d i o m d l 3 0 便是数字输入通道。安装p c i 1 7 3 3 控制卡驱动程序后，在 程序中通过d r v函数便可获取数字量信号。方法如下：_dioreadportbyte 定义控制卡设备句柄：l o n gd r i v e r h a n d l e p c i1 7 3 3 ；定义接收变量： p t _ d i o r e a d p o r t b y t ea 。 结构体p td i o r e a d p o r t b y t e 为： t y p e d e f s t r u c tt a g v rd i o r e a d p o r t b y t e u s h o r t p o r t ： u s h o r tf a r + v a l u e ) p t _ d i o r e a d p o r t b y t e ，f a r + l p t _ d i o r e a d p o r t b y t e ： 其中：p o r t 为通道端口号，* v a l u e 为指向储存数据值变量的指针。 然后启动控制卡设备，读取并储存输入信号，其程序代码如下： d r v _ d e v i c e o p o n ( d e v i c e n u m ，d r i v e r h a n d l e p c i1 7 3 3 ) ： p t _ d i o r e a d p o r t b y t ea ； u s h o r tv a l u e ； a p o r t = 0 ； a v a l u e = & v a l u e ； 、舢笼嚣“巧拍勰扫如孔s站”鲐拍卯 o l 2 3 4 5 6 7 s 9 i 2 3 4 5 6 7 8 9 l l l l l l l l l 1 第二章数据采集系统 d r v p i o r e a d p o r t b y t e ( d r i v e r h a n d l e p c l l7 3 3 ，& a ) ； 2 1 2 开关量信号输出模块 开关量信号输入由p c i 1 7 5 1 完成。p c i 1 7 5 1 是一款基于p c i 总线的4 8 位数 字量i o 卡。其4 8 位被分为6 个8 位的i o 端口，用户可以通过软件对每个端 口进行配置。p c i 1 7 5 1 还提供一个事件计数器和两个1 6 位的定时器，这两个定 时器可以级联为一个3 2 位定时器。当系统热启动时，根据跳线设置，p c i 1 7 5 1 能够保持上一次的i o 端口设置和输出值，或者返回到默认配置。该功能能够避 免在系统意外重启动过程中的误操作对系统带来的危险。此外，p c i - 1 7 5 1 同时 支持干接地和湿接地，这样可以很容易地与其他设备相连接。 每个i o 端口的两根线( c o 和c 4 ) 以及三个计数器输出中的两个( 定时器 1 和计数器2 ) 都与中断电路相连。在同一时间可以产生两个中断，中断服务程 序( i s r ) 可以对两个请求信号进行响应。不仅如此，板卡产生中断的同时会输 出一个数字信号，用户可以利用该功能来触发一个外部设备。 p c i 1 7 5 1 可应用于工业a c d c 的i o 监控、继电器和开关的监控、并行数 据传输、r r l ，d t l 和c m o s 逻辑信号检测、指示器l e d 驱动。 图2 2 为p c i 1 7 5 1 的外部接口定义图。其中p a o 、p a l 、p b 0 、p b l 、p c 0 和p c i 便为6 个8 位的i o 端口 苎詈当 1 ”主暑p ”董暑f “主暑营喜善善墓墓莹 u io i u o u l o i ”室捃蚕疆董弱替替害莹 塞至。瞎 图2 - 2p c i 1 7 5 1 接口定义图 p c i 1 7 3 3 的主要规格为： i o 通道：4 8 路数字； 编程模式：8 2 5 5 p p i 模式0 ； 数字量输出 第一二章数据采集系统 逻辑电平o ：0 4 v 最大 2 4 i l i a ； 逻辑电平l ：2 4 v 最小 1 5 m a ； 数字量输入 逻辑电平0 ：0 - - 0 8 v ； 逻辑电平1 ：2 5 2 5 v ； 可编程定时器计数器的频率范围：肚l om h z ； 接口：6 8 脚s c s i i i 孔式接口； 安装p c i - 1 7 5 1 控制卡驱动程序后，在程序中通过d r v _ d i o w r i t e p o r t b y t e 函 数便可输出数字量信号。方法如下： 定义控制卡设备句柄：l o n gd r i v e r h a n d l e p c l l 7 5 1 ；定义发送变量： p t _ d i o w r i t e p o r t b y t eb 。 结构体p td i o w r i t e p o r t b y t e 为： t y p e d e f s t r u c tl a g p t _ d i o w r i t e p o r t b y t e u s h o r t p o r t ； u s h o r tm a s k ； u s h o r ts t a t e ； p t _ d i o w r i t e p o r t b y t e ，f a r + l p t _ d i o w r i t e p o r t b y t e ； 其中：p o r t 为通道端口号：m a s k 为掩码，它能实现指定通道的屏蔽；s l a t e 为数字输出状态值。 然后启动控制卡设备，输出给定数字量信号，其程序代码如下： d r v _ d e v i c e o p e n ( d e v i c e n u m ，d r i v e r h a n d l e p c l l 7 5 1 ) ； p t _ d i o w d t e p o r t b y t eb ： b p o r t - - 0 ； b m a s k = o x f f ； b s t a t e = o x 0 0 ； d r v _ d i o w d t e p o r t b y t e ( d r i v e r h a n d l e p c i _ 1 7 5 1 ，& b ) ； 2 1 3 模拟量信号输入模块 模拟量信号输入由p c i 2 0 0 8 完成。p c i 2 0 0 8 是1 2 位1 6 路同步采样的a d 卡， 采用p c i 2 2 总线标准，支持多卡同步采集，通过率为2 5 k 通道，单卡总通过率 可达4 0 0 k ，多卡采集总通过率可达i m 以上，并实现连续存盘。为了确保采样 精度，每通道均通过p g a l 0 3 仪表放大器缓冲后接入多采保a d 芯片a d 7 8 7 4 。 p c i 2 0 0 8 广泛应用于振动测试、电力系统、医疗设备等诸多领域。 1 2 第二章数据采集系统 p c i 2 0 0 8 具有3 2 位p c i 总线，支持p c l 2 2 协议，真正实现即插即用；f p g a 接口芯片设计、p c i 总线接口和板上的各种逻辑电路合二为一，确保了产品的可 靠性和小型化，并且具有极高的保密性；1 6 通道模拟输入；a d 采集支持外部触 发；支持软件查询、中断两种工作方式；1 6 k 字深度的f i f o 存储器保证数据的 完整性的特点。通道数可按每4 路顺序性的任意组合，如o 3 ，8 1 1 构成采样阵 列，也可4 7 、8 1 l 、1 2 1 5 构成采样阵列； p c i 2 0 0 8 的性能与技术指标： 模拟通道输入数：1 6 路单端； 模拟输入电压范围：士i o v ： 模拟输入阻抗： 1 0 m f b 放大器建立时间：2 5 u s ； a d 分辨率：1 2b “( 4 0 9 6 ) ； 非线性误差：士i l s b ( 最大) ； 转换时间：4 0 u s 通道； 系统测量精度：0 2 ； 采样率：总采样率为4 0 0 k s p s ( 1 6 x 2 5 k = 4 0 0 k ) ； 数据缓冲：1 6 k 字f i f o 存储器的缓存； p c i 2 0 0 8a d 卡的1 6 通道信号是通过3 7 芯d 型头x s l 引出的，其元件位置 和接口定义如图2 3 所示。 t r 外触发信号 a g n d ；模拟地 d g n d ：数字地 c h 模拟输入通道 t r a g n d a g h l d a g b i d a o n d a g n d a g n d a g n d a g n d a g n d a g n d a g n d a g n d a o n d a g n d a o n d a g n d a g n d a g n d 图2 - 3p c i 2 0 0 8 元件位置及接口定义图 正 o l 2 3 4 5 慧篇gg嚣篇篇瑞-_ 、甜笼m笛；号勰捞如轧。：驺m格拍”_、 o l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l l l l l 1 l l l l 第二章数据采集系统 p c i 2 0 0 8a d 卡，不仅支持本卡的1 6 路a d 同步采集，也支持多卡同步采集。 例如：实现4 8 路同步采集的连接如图2 - 4 所示。 x s 2i n x s 3o u t x s 4o u t x s 5o u t x s 2 x s 3o u t x s 4o u t x s 5o u t 图2 44 8 路同步采集连接图 x s 2i n x s 3o u t x s 4o u t x s 5o u t p c i 2 0 0 8a d 卡读取数据方式如下： i n td e v i c e i d = 0 ：假设在本台计算机系统中只有一台p c i 2 0 0 8 h a n d l eh d e v i e e ； 设备对象句柄 h a n d l eh e v e n t l n t ； 内核中断事件对象 p c i 2 0 0 8p a r aa da d p a r a ：定义硬件参数 w o r d a d b u f f e r 【8 1 9 2 】； 分配数据缓冲区 i n tf i f o h a i h _ , e n g t h = 8 1 9 2 ；f i f o 半满长度 d w o r d r e m a i n i n g = 0 ；用于记录用户每次真正接受到中断事件后一级 缓冲链表的乘余单元 p e r l s b v o l t - - ( 1 0 0 0 0 0 4 0 9 6 ) , h e v e n t i n t = p c i 2 0 0 8c r e a t e s y s t e m e v e n t 0 ； 创建系统中断事件对象 h d e v i c e = p c i 2 0 0 8c r e a t e d e v i c e ( d e v i c e l d ) ； 创建设备对象 a d p a r a b c h i p s a r r a y 0 = l ；要求采集第一个芯片( 即c h 0 c h 3 ) 的数据 a d p a r a b c h i p s a r r a y 1 = 1 ；要求采集第二个芯片( 即c h 4 - c h 7 ) 的数据 a d p a r a b c h i p s a r r a y 2 = 1 ；要求采集第三个芯片( 即c h 8 - c h l1 ) 的数据 a d p a r a b c h i p s a r r a y 3 = l ；要求采集第四个芯片( 即c h l 2 一c h l 5 ) 的数据