专利名称：基于fpga的高速电压电流模拟量采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据采集技术领域，具体涉及到高电压和电流信号处理及采集技木。
背景技术：
油田系统中常用设备超声波增油系统在使用过程中，需要对其工作的电压和电流进行检測，但是，现有市场上的电压/电流检测设备中，有些采集速度不够，有些无法实现高电压采集，有些不具有高速的数据传输接ロ，没有能够适用于对油田系统的超声波增油系统的电压和电流检测的设备
发明内容
本发明针对油田系统的超声波增油系统设计了一种用于检测该系统的工作电压和电流的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统。本发明所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统由数据采集及处理部和数据存储及分析部组成，所述数据采集及处理部和数据存储及分析部之间采用CAN串行通信总线实现通信；所述数据采集及处理部包括电压信号处理电路、电流信号处理电路、FPGA參数校准电路和CAN通信电路，所述电压信号处理电路用于采集模拟电压信号，并对所述模拟电压信息进行滤波、放大以及AD转换处理后发送给FPGA參数校准电路；所述电流信号处理电路用于采集模拟电流信号，并对所述模拟电流信息进行滤波、放大以及AD转换处理后发送给FPGA參数校准电路；所述FPGA參数校准电路用于对输入的数据进行运算处理后通过CAN通信电路发送给数据存储及分析部；数据存储及分析部用于存储数据采集及处理部发送的数据，并对所述数据进行分析。本发明采用CAN通信接ロ能够实现数据的高速传输。另外，本发明所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统中的FPGA參数校准电路，可以采用VerilogHDL语言实现FPGA中的程序及逻辑设计，即在FPGA内部设计相应的IP核作为乘法、除法和加法等基本计算单元，通过这些计算单元对输入的数据进行数学和逻辑运算，能够有效提高数据运算的处理速度和精度。本发明适用于超声波增油系统的电压和电流的检测。
图I是本发明所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的原理框图。图2是具体实施方式
三中所述的整形模块的一种电路原理图。图3是具体实施方式
四中所述的模拟电压转换�？榈末`种电路原理图。图4是具体实施方式
七所述的模拟电压转换�？榈末`种电路原理图。
具体实施例方式具体实施方式
一、參见图I说明本实施方式。本实施方式所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统由数据采集及处理部I和数据存储及分析部2组成，所述数据采集及处理部I和数据存储及分析部2之间采用CAN串行通信总线实现通信；所述数据采集及处理部I包括电压信号处理电路、电流信号处理电路、FPGA參数校准电路和CAN通信电路，所述电压信号处理电路用于采集模拟电压信号，并对所述模拟电压信息进行滤波、放大以及AD转换处理后发送给FPGA參数校准电路；所述电流信号处理电路用于采集模拟电流信号，并对所述模拟电流信息进行滤波、放大以及AD转换处理后发送给FPGA參数校准电路；所述FPGA參数校准电路用于对输入的数据进行运算处理后通过CAN通信电路发送给数据存储及分析部2 ;数据存储及分析部2用于存储数据采集及处理部I发送的数据，并对所述数据进行分析。CAN通信电路，用于实现FPGA參数校准电路与存储数据采集及处理部I之间的通信，用于实现数据采集的设置及采集数据的上传功能。CAN通信在保证较高通信频率的基础上保证了信号的可靠传输。本实施方式中，所述电压信号处理电路与FPGA參数校准电路之间采用并行数据传输方式进行数据传递。所述电流信号处理电路与FPGA參数校准电路之间采用并行数据传输方式进行数据传递。采用并行数据传输的方式能够有效地提高数据传输的速度，进而与数据采集的速度相适应，实现高速的数据采集。·具体实施方式
ニ、本实施方式是对具体实施方式
一所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的进一歩限定，本实施方式中，电压信号处理电路包括模拟电压转换�？�、整形�？楹湍Ｊ荒？椋文？槎允淙氲牡缪剐藕沤姓沃笫涑龈Ｄ獾缪棺荒？椋瞿Ｄ獾缪棺荒？橛糜诮�-峰值为-2500至2500V的电压信号转换成O至2V弱电压信号，并将该弱电压信号发送给模数转换�？椋Ｊ荒？榻淙氲牡缪剐藕抛怀墒中藕挪⑹涑觥５缪剐藕攀钦扔诒徊杉男藕�。本实施方式所述的被采集信号可以是交流或直流信号，包括脉冲信号、正弦波信
J3·坐坐寸寸。
具体实施方式
三、本实施方式是对具体实施方式
ニ所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的进一歩限定，本实施方式中所述的整形�？橛闪礁鲎枞莸缏纷槌桑鲎枞莸缏酚傻缱韬偷缛莶⒘槌桑缪剐藕诺牧蕉朔直鹜ü桓鲎枞莸缏否詈现笫涑龈Ｄ獾缪棺荒？�。本实施方式所述的每个阻容电路中的电阻可以采用多个电阻串联组成。本实施方式所述的每个阻容电路中的电容可以采用多个电容串联组成。本实施方式所述的每个阻容电路中的电容可以采用多个电容串并混联组成。图2所示是实现本实施方式所述的整形模块的一种电路原理图，该种结构中电阻采用多个电阻串联实现，电容采用电容串并混联组成。本实施方式中的电压信号处理电路采用了优化的电压分压方式采集电压信号，保证了高电压信号在转变成弱压信号后频率的跟踪。保证了信号的完整性。
具体实施方式
四、參见图3所示说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式
ニ所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的进一歩限定，本实施方式中，模拟电压转换�？橛伤蛭妊构躗402、两个运算放大器、ー个差分放大器ICl和多个电阻、多个电容组成，双向稳压管Z402并联在被测电压的两端，双向稳压管Z402的一端通过电阻R421和电阻R419连接电源地；双向稳压管Z402的另一端通过电阻R422和电阻R420连接电源地；电阻R421和电阻R419的连接点通过电阻R400连接第一运算放大器U300A的正向输入端；该第一运算放大器U300A的反向输入端与输出端之间串联电阻R401，电阻R402与电容C400串联之后与电阻R401并联连接；电阻R422和电阻R420的连接点通过电阻R405连接至第二运算放大器U300B的正向输入端，该第二运算放大器U300B的反向输入端与输出端之间串联电阻R406，电阻R407和电容C406串联之后与电阻R406并联连接；第一运算放大器U300A的输出端通过电阻R412与电源地连接，所述第一运算放大器U300A的输出端还通过电阻R410连接至差分放大器ICll的正向信号输入端；第ニ运算放大器U300B的输出端通过电阻R413连接电源地，该第二运算放大器U300B的输出端通过电阻R411连接至差分放大器ICll的反向信号输入端；差分放大器ICll的正向信号输入端与反向信号输出端之间并联有电阻R414和电容C410 ;差分放大器ICll的反向信号输入端与正向信号输出端之间并联有电阻R415和电容C411 ;差分放大器ICll的反向信号输出端与正向信号输出端之间并联有电阻R418,差分放大器ICll的反向信号输出端还连接电阻R416的一端,该电阻R416的另一端作为米集的电压信号反向输出端通过电容C414与电源地连接；差分放大器ICll的正向信号输出端还连接电阻R417的一端，该电阻R417的另ー 端作为采集的电压信号正向输出端通过电容C413与电源地连接；采集的电压信号正向输出端和反向输出端之间并联由电容C412。
具体实施方式
五、本实施方式是对具体实施方式
一所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的进一歩限定，本实施方式中，电流信号处理电路包括电流采样模块、模拟电流转换�？楹湍Ｊ荒？椋缌鞑裳？槭涑瞿Ｄ獾缌餍藕鸥Ｄ獾缌髯荒？椋Ｄ獾缌髯荒？榻淙氲牡缌餍藕抛怀傻缪剐藕挪⑹涑龈Ｊ荒？椋Ｊ荒？榻淙氲哪Ｄ獾缪剐藕抛怀墒中藕挪⑹涑�。模拟电流转换模块用于将峰-峰值为-100A至+100A的电流信号转换成O至2V弱电压信号，此信号与被采样的电流信号波形相同，幅值成正比。本实施方式所述的被采集的电流信号为交流信号或直流信号，包括脉冲信号或者正弦交流彳目号等等。所述电流采样模块采用高精度的霍尔集成采样�？�。从而能保证在电流高频变化时，电流彳目号幅值和相位的完整跟踪。
具体实施方式
六、本实施方式是对具体实施方式
ニ或五所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的进一歩限定，本实施方式中所述的模数转换�？椴捎肨I公司的高频并行AD采样芯片。该芯片能对电压及电流信号以25MHz的频率进行同时采样，以保证电压及电流采集后的信号的相位一致性。
具体实施方式
七、參见图4说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式
五所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的进一歩限定，本实施方式中所述的模拟电流转换�？榘ú罘址糯笃鱅C12、多个电阻和多个电容,模拟输入的电流信号与电源地之间并联有电容C450、电阻R452和电阻R442，该模拟输入的电流信号还通过电阻R440连接至差分放大器IC12的正向信号输入端,该差分放大器IC12的正向信号输入端与反向信号输出端之间并联有电阻R444和电容C440 ;该差分放大器IC12的反向输入端连接电阻R441的一端，该电阻R441的另一端与电源地之间并联有电阻R443和电阻R453 ;该差分放大器IC12的反向输入端与正向输出端之间并联由电阻R445和电容C441 ;该差分放大器IC12的正向输出端与反向输出端之间并联由电阻R448,该差分放大器IC12的正向输出端还与电阻R447的一端连接,该电阻R447的另一端作为模拟电流转换�？榈恼蛐藕攀涑龆送ü缛軨443与电源地连接，该差分放大器IC12的反向输出端还与电阻R446的一端连接，该电阻R446的另一端作为模拟电流转换�？榈姆聪蚴涑龆送ü缛軨444与电源地连接，所述模拟电源转换�？榈恼蛐藕攀涑龆擞敕聪蚴涑龆酥洳⒘傻缛軨442。本实施方式所述的差分放大器IC12和具体实施方式
四所述的差分放大器ICll均的可以采用AD8318高频差分放大器实现，该AD8318高频差分放大器即可以用作单端转差分放大器还可以用作差分转差分放大器，并且还能提供共模电平转换功能。AD8138高频差分放大器的正负输出端通过ー对串联电阻分别与模数转换�？榈哪Ｄ庑藕攀淙攵讼嗔佣阅Ｊ荒？榈目氐缛菔淙氲母涸赜跋旖抵磷钚。沟檬涑隹梢栽诤芸淼钠德史段诒３指叨绕胶猓恍枰细衿ヅ涞耐獠吭�
具体实施方式
八、本实施方式是对具体实施方式
一所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的进一歩限定，本实施方式中，通过VerilogHDL语言变成设计，在FPGA參数校准电路内部设置乘法IP核、除法IP核和加法IP核，进而实现对输入数据的运算处理；还通过VeriIogHDL语言变成设计，在FPGA參数校准电路内部设置零点修正和校准·�？椋媚？橛糜诙允淙氲氖萁行Ｗ�。所述零点修正和校准�？橛糜谕ü尚薷牡膮⑹葱拚杉藕诺牧愕阋约靶藕诺南咝员壤叵担佣锏讲杉男藕鸥玫母俑哐�、高频、大电流信号的幅值和相位。所述零点修正和校准模块实现校准的方法是采用两点式校准第一点选择信号的零点左右，第二点选择信号的接近满量程附近，依两点处的模数采样值及实际被采样的模拟信号值通过两点式方程计算出电路的修正參数，然后通过CAN总线将參数写入电路板上的相关存贮器件中。通过这种校准方式可以保证全測量范围内的精度。这些參数可以通过标准的232接ロ来进行配置，并且自动保存，掉电后不丢失。AD采集数据读�。荽砑笆荽娲⒅饕迪指哐�、高频、大电流信号转换后的数字量实时读�。⒔辛愕悴钩ズ拖咝孕拚�。并根据Can通信中设置的采样频率和信号采集模式进行存储。
具体实施方式
九、本实施方式是对具体实施方式
一所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统的进一歩限定，本实施方式中，数据存储及分析部2采用平板电脑、笔记本电脑或者エ业计算机实现。本实施方式中的数据存储及分析部2采用平板电脑、笔记本电脑或者エ业计算机实现，能够方便的进行数据处理以及采集数据的显示。平板电脑采用北京鼎升カ创的PPC — 104X平板电脑，这是ー款低功耗的高性能嵌入式电脑，人机界面采用了 10. 4英寸的TFT真彩液晶屏，显示分辨率达800X600 ;使用超低电压的赛扬400处理器，可以有效降低能耗，不使用风扇，可长期稳定运行。美观坚固，抗震性好，电磁屏蔽性好。使用WINXPE操作系统，稳定性好，支持直接关机。平板电脑通过触摸屏对其进行操作，简单方便。
权利要求
1.基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，所述采集系统由数据采集及处理部(I)和数据存储及分析部(2 )组成，所述数据采集及处理部(I)和数据存储及分析部(2)之间采用CAN串行通信总线实现通信；所述数据采集及处理部(I)包括电压信号处理电路、电流信号处理电路、FPGA参数校准电路和CAN通信电路，所述电压信号处理电路用于采集模拟电压信号，并对所述模拟电压信息进行滤波、放大以及AD转换处理后发送给FPGA参数校准电路；所述电流信号处理电路用于采集模拟电流信号，并对所述模拟电流信息进行滤波、放大以及AD转换处理后发送给FPGA参数校准电路；所述FPGA参数校准电路用于对输入的数据进行运算处理后通过CAN通信电路发送给数据存储及分析部(2);数据存储及分析部(2 )用于存储数据采集及处理部(I)发送的数据，并对所述数据进行分析。
2.根据权利要求I所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，电压信号处理电路包括模拟电压转换�？椤⒄文？楹湍Ｊ荒？椋文？槎允淙氲牡缪剐藕沤姓沃笫涑龈Ｄ獾缪棺荒？椋瞿Ｄ獾缪棺荒？橛糜诮�-峰值为-2500至2500V的电压信号转换成0至2V弱电压信号，并将该弱电压信号发送给模数转 换�？椋Ｊ荒？榻淙氲牡缪剐藕抛怀墒中藕挪⑹涑�。电压信号是正比于被采集的信号。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，整形�？橛闪礁鲎枞莸缏纷槌桑鲎枞莸缏酚傻缱韬偷缛莶⒘槌桑缪剐藕诺牧蕉朔直鹜ü桓鲎枞莸缏否詈现笫涑龈Ｄ獾缪棺荒？�。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，所述的每个阻容电路中的电阻可以采用多个电阻串联组成。
5.根据权利要求3所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，每个阻容电路中的电容可以采用多个电容串联组成。
6.根据权利要求3所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，所述的每个阻容电路中的电容可以采用多个电容串并混联组成。
7.根据权利要求2所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，模拟电压转换�？橛伤蛭妊构�(Z402)、两个运算放大器、一个差分放大器(ICll)和多个电阻、多个电容组成，双向稳压管(Z402)并联在被测电压的两端，双向稳压管(Z402)的一端通过电阻R421和电阻R419连接电源地；双向稳压管(Z402)的另一端通过电阻R422和电阻R420连接电源地；电阻R421和电阻R419的连接点通过电阻R400连接第一运算放大器(U300A)的正向输入端；该第一运算放大器(U300A)的反向输入端与输出端之间串联电阻R401，电阻R402与电容C400串联之后与电阻R401并联连接；电阻R422和电阻R420的连接点通过电阻R405连接至第二运算放大器(U300B)的正向输入端，该第二运算放大器(U300B)的反向输入端与输出端之间串联电阻R406，电阻R407和电容C406串联之后与电阻R406并联连接； 第一运算放大器(U300A)的输出端通过电阻R412与电源地连接，所述第一运算放大器(U300A)的输出端还通过电阻R410连接至差分放大器(ICll)的正向信号输入端；第二运算放大器(U300B)的输出端通过电阻R413连接电源地，该第二运算放大器(U300B)的输出端通过电阻R411连接至差分放大器(ICll)的反向信号输入端；差分放大器(ICll)的正向信号输入端与反向信号输出端之间并联有电阻R414和电容C410 ;差分放大器(ICll)的反向信号输入端与正向信号输出端之间并联有电阻R415和电容C411 ;差分放大器(IClI)的反向信号输出端与正向信号输出端之间并联有电阻R418,差分放大器(ICll)的反向信号输出端还连接电阻R416的一端，该电阻R416的另一端作为采集的电压信号反向输出端通过电容C414与电源地连接；差分放大器(ICll)的正向信号输出端还连接电阻R417的一端，该电阻R417的另一端作为采集的电压信号正向输出端通过电容C413与电源地连接；采集的电压信号正向输出端和反向输出端之间并联由电容C412。
8.根据权利要求I所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，电流信号处理电路包括电流采样模块、模拟电流转换�？楹湍Ｊ荒？椋缌鞑裳？槭涑瞿Ｄ獾缌餍藕鸥Ｄ獾缌髯荒？椋Ｄ獾缌髯荒？榻淙氲牡缌餍藕抛怀傻缪剐藕挪⑹涑龈Ｊ荒？椋Ｊ荒？榻淙氲哪Ｄ獾缪剐藕抛怀墒中藕挪⑹涑�。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，所述的模拟电流转换�？榘ú罘址糯笃�(IC12 )、多个电阻和多个电容,模拟输入的电流信号与电源地之间并联有电容C450、电阻R452和电阻R442，该模拟输入的电流信号还通过电阻R440连接至差分放大器(IC12)的正向信号输入端，该差分放大器(IC12)的正向信 号输入端与反向信号输出端之间并联有电阻R444和电容C440 ;该差分放大器(IC12)的反向输入端连接电阻R441的一端，该电阻R441的另一端与电源地之间并联有电阻R443和电阻R453 ;该差分放大器(IC12)的反向输入端与正向输出端之间并联由电阻R445和电容C441 ;该差分放大器(IC12)的正向输出端与反向输出端之间并联由电阻R448,该差分放大器(IC12)的正向输出端还与电阻R447的一端连接，该电阻R447的另一端作为模拟电流转换模块的正向信号输出端通过电容C443与电源地连接，该差分放大器(IC12)的反向输出端还与电阻R446的一端连接,该电阻R446的另一端作为模拟电流转换�？榈姆聪蚴涑龆送ü缛軨444与电源地连接，所述模拟电源转换�？榈恼蛐藕攀涑龆擞敕聪蚴涑龆酥洳⒘傻缛軨442。
10.根据权利要求I所述的基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，其特征在于，数据存储及分析部(2 )采用平板电脑、笔记本电脑或者工业计算机实现。
全文摘要
基于FPGA的高速电压电流模拟量采集系统，涉及数据采集技术领域。本发明是针对油田系统的超声波增油系统而设计的。本发明的数据采集及处理部和数据存储及分析部之间采用CAN串行通信总线实现通信；数据采集及处理部中的电压信号处理电路用于采集模拟电压信号，并对所述模拟电压信息进行滤波、放大以及AD转换后发送给FPGA参数校准电路；电流信号处理电路用于采集模拟电流信号，并对所述模拟电流信息进行滤波、放大以及AD转换后发送给FPGA参数校准电路；FPGA参数校准电路用于对输入的数据进行运算处理后通过CAN通信电路发送给数据存储及分析部；数据存储及分析部用于存储数据采集及处理部发送的数据，并对所述数据进行分析。
文档编号G01R19/25GK102854375SQ20121032968
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者杨贵杰, 黄滨, 黄昊骎, 单长城, 刘宝贵 申请人:哈尔滨工业大学
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