专利名称：高速同步数/模转换模板及其数据处理、控制方法
技术领域：
本发明属于电力系统领域，特别适于作为电力系统继电保护装置和其它电力系统安全自动装置的试验装置。
继电保护是电力系统的重要组成部分。运行中的电力系统经常会发生各种故障，快速准确地检出并切除故障是继电保护的首要任务。而继电保护的不正确动作(包括非故障时的误动作和故障时的拒绝动作)将给电力系统带来巨大危害，甚至灾难性的后果。因此，电力系统对于继电保护的可靠性要求特别高，任何一个继电保护装置在投入电力系统使用前都要经过反复的试验，这些试验包括静态模拟试验和动模试验甚至实时仿真试验。
行波保护是一种反映输电线路故障瞬间所产生的的暂态行波而动作的继电保护，它具有超高速动作性能，因此倍受电力系统关注。但是由于行波信号的频率非常高，一般为几百千赫兹甚至高达数兆赫兹，目前国内外的所有继电保护试验装置都无法提供这种高频电流和电压信号，因此没有办法对行波保护装置进行测试和试验，从而给行波保护装置的研制和实际应用带来诸多不便。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种高速同步数/模转换模板，用该模块构成的行波保护试验装置可提供高频、同步的8路试验信号(四路电流、四路电压)，实现对行波保护装置的模拟试验，进而使行波保护装置的实用化成为可能；此外，该模板也可以作为其它电力系统自动装置的试验装置信号源。
本发明设计的一种高速同步数/模转换模板，其特征在于，包括用于传送PC机的暂态计算结果的通信模块，从该通信模块读取、存放暂态计算结果的数字信号处理和逻辑控制模块(DSP)及存于其中的处理、控制软件程序，将存放在该DSP模块的暂态计算结果进行转换的数模转换模块，对转换后的数据进行放大输出的信号放大输出模块。
本发明提出一种用于上述的高速同步数/模转换模板的数据处理、控制方法，其特征在于，包括以下步骤1)数据存储器(RAM)区的自检通过在未使用区写入数据并读回CPU检查RAM区状态是否正常完好，若好则进入接受过程；2)接受过程是逐位检出并接收。先接收帧同步位(起始位)，再接收8位串行数据；接收过程约定为先送高8位、再送低8位，16位(两帧)数据组成一个转换量，并放置在指定存储单元；3)回送握手或者转换完毕信息类似于接收过程；4)转换过程包括以下步骤(a)接收完毕数据包后，按下“转换”按钮，程序进入“转换子程序”；
(b)此时，首先把两路待转换量(两个16位数据)拼凑成32位数据，高16位一路，低16位为另一路；(c)发布转换命令，始能数模转换芯片(D/A)和采样保持芯片(S/H)；(d)软件定时250纳秒，重复一次转换过程(使能D/A芯片和S/H芯片一次)，把转换结果“寄存”在采样保持芯片中；(e)每1微秒始能一次采样保持芯片，把输出模拟量推入信号放大隔离电路；(f)一定时间段后，电力系统故障后的暂态行波过程基本结束，程序转入“慢放”状态，即100微秒转换一次稳态故障数据，20毫秒一个周期(工频周期)，之后就转入“循环”状态，一直到“停止转换”按钮按下为止，结束全部转换过程。
本发明的工作过程为通信模块把EMTP(电磁暂态计算程序)ATP等暂态仿真计算结果(数据文件)传送给所说的DSP模块，实现方式为串行通信；所说的DSP模块将获取数据(通信)进行存放数据操作、控制转换操作；所说的数模转换模块用于把数字量同步转换为模拟量；所说的信号放大输出模块把D/A输出的模拟量转换为幅度可调、具有一定驱动能力的信号输出。
本发明的特点宽频带、高速、同步、低噪声、驱动能力强。
本发明应用范围1、电力网、发电厂和变电站用于试验高压输电线路、发电机、大型电力变压器等电气设备的继电保护装置(包括反映暂态量的快速继电保护装置)；2、电力网、发电厂和变电站用于试验其它电力系统安全自动装置，像电力系统故障录波器，电力系统故障事件记录仪等电力系统自动装置。
3、其它需要同步、高速度、高精度数模转换的场合。
附图简要说明
图1为本发明的实施例硬件构成框图。
图2为本实施例的通信模块的硬件连接示意图。
图3为本实施例的DSP模块的构成框图。
图4为本实施例的转换模块构成D/A、S/H控制时序示意图。
图5为本实施例的转换电路模块工作原理示意图。
图6为本实施例的输出模块的硬件构成示意图。
图7为本实施例的DSP模块的软件流程框图。
图8为本实施例的高速数模转换时序逻辑图。
本发明设计的一种高速同步数/模转换模板实施例如图1-8所示，结合各图详细说明如下本实施例硬件构成框图如图1所示。它由通信部分、DSP数字信号处理和逻辑控制部分、数模转换部分和信号放大输出部分四部分组成，其中通信部分(通信模块)是把EMTP、EMTDC或者ATP等暂态仿真计算结果(数据文件)传送给本板，实现串行通信。
DSP数字信号处理和逻辑控制部分(DSP模块)，它是该板件的核心，用于从PC机获取数据(通信)、存放数据操作、控制转换操作等。
数模转换部分(数模转换模块)，它是该板件的关键部分。用于把数字量同步转换为模拟量。
信号放大输出部分(输出模块)是把D/A输出的模拟量转换为幅度可调、具有一定驱动能力的信号输出。
该模板的工作过程是用PC机把暂态计算结果传送给木板件→使用DSP芯片读取、存放数据并分时下发给转换电路→执行数模转换→信号放大输出。
各部件的组成详细说明如下1.通信模块的硬件连接如图2所示。
通信方式采用串行通信，使用PC机标准232接口。考虑到计算机只能够提供异步串行通信方式，而DSP没有异步串行通信口，只有同步串行通信口，为完成异步串行通信任务，本实施例采用通信收发芯片MAX232和DSP的I/O口(XF0、XF1)、中断口(INT0或INT1口)用软件命令置该口高低电平来模拟完成异步串行通信任务。
串行通信需要传输的数据量为一个故障扰动的8路数据。估算如下1路待转换信号的时间步长为1微秒、转换精度为16位、转换时间长度约为5毫秒，计约80Kbitc(千位)；8路数据量约为610Kbite，考虑到这时的通信不是实时通信，考虑到I/O口的通信能力，通信速率决定选用14100bit/s.通信花费时间约为25秒左右，这个时间能够满足对于继电保护装置的调试需要。
PC机串行通信软件采用标准232接口通讯软件。
2.DSP模块的构成如图3所示。
本模块是高速数模转换模板的核心部分，它由DSP芯片TMS320-C32、高速64K字16位数据存储器芯片RAM(IS61C6416)两片、EPROM(27C010)、高精度晶振等组成，DSP芯片有32根数据总线，D0-D15、D16-D31分别与两片16位RAM(IS61C6416)和两片D/A(AD768)的16位数据线相连。D0-D7与EPROM(27C010)的数据线相连。地址总线分别与数据存储器芯片RAM(IS61C6416)、EPROM(27C010)的地址相连。高精度晶振直接与DSP相连。主要用于完成下述功能1)实现和PC机的异步串行通信，占用DSP的I/O口线XF0(用于发送)，XF1(用于接受)，9位异步通信帧由软件配成。
2)存放接收到的数据，把它们存放到指定存储单元。
3)分时把待转换数据(250纳秒2个转换字，2*16位)推入两个D/A转换器芯片(每个16位)，并由软件下发开始转换命令；每转换完一路，置该路所对应的采样保持器S/H进入保持状态；8路都转换完毕需要上述操作四次，转换完后重新开放S/H，显然8路同步是由采样保持电路完成的。
主要芯片DSP选择为TMS320C32，其主要性能指标是单周期指令执行时间为33.3纳秒(晶振选择60MHZ)，32位数据总线宽，共有24根地址线(可扩展至16兆比特的存储空间)。
3、本实施例的转换模块构成D/A、S/H控制时序如图4所示。
该模块由2个高速数模转换芯片D/A(AD768)及分别与之相连的8个采样保持器芯片(SH605)组成(图中只画出了一路的连接关系，其它路相同)。前者用于250纳秒执行一次数模转换、后者用于对转换结果进行保持，用以实现8路模拟量的同步输出。
本实施例的转换电路模块工作原理如图5所示。
1)TMS320-C32有32根数据线，它首先把需要转换的每路16位数据组合成32位数据，原则是高16位一路、低16位一路；2)在1微秒的时间间隔里，每250纳秒每个数模转换器芯片进行一次数模转换操作，并把转换结果分别推入4个采样保持器。本发明采用两个数模转换器芯片，因此共可输出8路模拟信号3)1个微秒释放1次采样保持电路。
所有的转换命令和采样保持器的控制切换命令都由DSP芯片发出。
采用该结构的优点是可以保证8路输出同步、而且使用高速数模转换器芯片数量少(2片)，有利于降低成本。
采用该结构的另外一个重要优点是该结构可以消除D/A器件本身的固有噪声，保证转换信号的质量。
4.本实施例输出模块的硬件构成如图6所示。
本模块主要由8片高速采样保持器(每个模拟输出通道1个)SH605和8片高速运算放大器OPA2604构成(每个模拟输出通道1个)。
由于D/A输出的模拟信号是双极性5V信号，而且具有一定的负载能力(10毫安)。考虑到被调试装置对于信号幅度、驱动能力的不同要求、考虑到抗干扰需要，设计了数字和模拟信号隔离回路，用电平感应器件代替传统的光电隔离器件，同时在电路板设计时充分考虑了电磁兼容并采用了四层印制板，以提高实用性。该电路的运算放大器选择为(OPA2604)。该芯片的静态功耗为10毫瓦，输出电压范围可达到正负15V，最大输出功率可达到100毫瓦，最大电流可达到15毫安，可以满足一般情况下的微机继电保护装置和基于微机的其它电力系统自动装置的调试需要。模拟量输出的幅值调节通过调节电位器Rw1~Rw8来得到。
图中使用了8个双运算放大器芯片OPA2604，每路由一片(两个运算放大器)构成，可提高本转换板驱动能力。
本实施例的DSP软件执行以下功能1)自检主要完成RAM区的自检；2)方式判断判断是通讯还是转换数据3)与PC机的通信(包括接收转换数据和回馈转换信息)；4)实现数/模转换。
具体步骤结合软件构成框图(图7)所示说明如下1)RAM区的自检通过在未使用区写入数据并读回DSP，检查RAM区和译码电路状态是否正常完好。
2)方式判断判断是通信还是转换数据，以此控制软件流程。
3)通信过程因为使用DSP的I/O口线，所以实际的接收过程是逐位检出并接收。先接收帧同步位(起始位)，再接收8位串行数据。按收过程约定为先送高8位、再送低8位，16位(两帧)数据组成一个转换量，并放置在指定存储单元。回送握手或者转换完毕信息类似于接收过程。
4)转换过程简述如下(a)接收完毕数据包后，接下“转换”按钮，程序进入“转换子程序”；(b)此时，首先把两路待转换量(两个16位数据)拼凑成32位数据，高16位一路，低16位为另一路；(c)发布转换命令，始能数模转换芯片(D/A)和采样保持芯片(S/H)；(d)软件定时250纳秒，重复一次转换过程(使能D/A芯片和S/H芯片一次)，把转换结果“寄存”在采样保持芯片中；(e)每1微秒始能一次采样保持芯片，把输出模拟量推入信号放大隔离电路。
(f)在一次故障数据转换过程中，先转换快速衰减的高频暂态行波数据5毫秒，之后进行故障后稳态数据转换，程序转入“慢放”状态，即1毫秒转换一次稳态故障数据，20毫秒一个周期，之后就转入“循环”状态，一直到“停止转换”按钮按下为止，结束全部转换过程。
转换时序排列如图8所示。图中，故障在0秒发生，0-5毫秒转换暂态行波；5毫秒之后转换故障后稳态。
采用上述转换方法的原因是满足短期试验和长期试验的需要；节约硬件资源。
故障瞬间含有高次谐波分量、暂态行波分量，但是这些高频分量很快衰减，5毫秒的时间足以反映一般的行波过程并可以完成对行波保护装置的试验(1微秒一个样点)；而长期的稳态工频分量(50Hz)则不需要很高的转换频率，较少的转换数据可以节约RAM的硬件开销(1毫秒一个样点，重复播放)。
本实施例的主要特点及性能指标能够高速、同步地把四路数字量电压、四路数字量电流转换为模拟信号输出。其主要性能指标如下1、模拟信号输出范围a)信号幅度±15V，可调；b)b)信号频率1兆赫兹。
2.同步转换路数8路(三相电压和零序电压、三相电流和零序电流)。
3.D/A转换精度16位。
4.同步误差小于0.5微妙。
5.最小指令周期33.3纳秒。
6.可存放数据长度(循环)128K字。
权利要求
1.一种高速同步数/模转换模板，其特征在于，包括用于传送PC机的暂态计算结果的通信模块，从该通信模块读取、存放暂态计算结果的DSP数字信号处理和逻辑控制模块及存于其中的数据处理、控制软件程序，将存放在该DSP模块的暂态计算结果进行转换的数模转换模块，对转换后的数据进行放大输出的信号放大输出模块，这种经数/模转换后信号放大输出的模拟信号具有与暂态仿真计算输出的数据包所带有的时标步长同步特征。
2.如权利要求1所述的高速同步数/模转换模板，其特征在于，所说的通信模块采用PC机的标准RS232串行口和相应的通信程序、DSP的I/O口以及对该I/O口进行控制和管理的通信软件。
3.如权利要求1所述的高速同步数/模转换模板，其特征在于，所说的DSP数字信号处理和逻辑控制模块主要由DSP芯片、数据存储器芯片、高精度晶振组成该DSP芯片通过数据总线、地址总线分别与该数据存储器芯片的数据线、地址线相连，高精度晶振直接与DSP相连。
4.如权利要求1所述的高速同步数/模转换模板，其特征在于，所说的数模转换模块由2个高速数模转换芯片D/A及分别与之相连的8个采样保持器芯片组成。
5.如权利要求1所述的高速同步数/模转换模板，其特征在于，所说的信号放大输出模块由8片高速采样保持器(每个模拟输出通道1个)和8片高速运算放大器构成。
6.一种用于如权利要求1所述的高速同步数/模转换模板的数据处理、控制方法，其特征在于，包括以下步骤1)RAM区的自检通过在未使用区写入数据并读回CPU检查RAM区状态是否正常完好，若好则进入接受过程；2)接受过程是逐位检出并接收。先接收帧同步位(起始位)，再接收8位串行数据；接收过程约定为先送高8位、再送低8位，16位(两帧)数据组成一个转换量，并放置在指定存储单元3)回送握手或者转换完毕信息类似于接收过程；4)转换过程包括以下步骤(a)接收完毕数据包后，按下“转换”按钮，程序进入“转换子程序”；(b)此时，首先把两路待转换量(两个16位数据)拼凑成32位数据，高16位一路，低16位为另一路；(c)发布转换命令，始能数模转换芯片(D/A)和采样保持芯片(S/H)；(d)软件定时250纳秒，重复一次转换过程(使能D/A芯片和S/H芯片一次)，把转换结果“寄存”在采样保持芯片中(e)每1微秒始能一次采样保持芯片，把输出模拟量推入信号放大隔离电路；(f)从故障发生瞬间到电力系统故障后的暂态行波过程基本结束，这个时间段设定为5毫秒，因此暂态故障数据转换时间也是5毫秒；之后，故障过程仍在继续，但暂态高频行波分量大量衰减，以低频周期分量为主，因此程序转入“慢放”状态，即1毫秒转换一次稳态故障数据，20毫秒一个周期，之后就转入“循环”状态，一直到“停止转换”按钮按下为止，结束全部转换过程。
全文摘要
本发明属于电力系统领域,包括用于传送PC机的暂态计算结果的通信模块,从该通信模块读取、存放暂态计算结果的DSP数字信号处理和逻辑控制模块及存于其中的数据处理、控制软件程序,将存放在该DSP模块的暂态计算结果进行转换的数模转换模块,对转换后的数据进行放大输出的信号放大输出模块。本发明具有全数字化、可重复性、宽频带、高速、同步、低噪声、驱动能力强的特点。
文档编号H03M1/00GK1271213SQ0010912
公开日2000年10月25日 申请日期2000年6月9日 优先权日2000年6月9日
发明者董新洲, 余学文, 刘建政 申请人:清华大学, 国电南京自动化股份有限公司