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高速数据采集系统设计

导读: 常用的USB接口和1394接口传输速度高,但是其理论传输距离分别只有5m和10m,无法满足工业现场对远距离传输的要求。为解决传输距离与传输速度之间的矛盾,设计了一种基于千兆以太网的高速数据采集系统。

  1 引言

 

  在工业控制、质量检测、虚拟仪器等场合,都需要采集数据并传输到上位机做分析处理。在传输数据时,有各种各样的传输协议。传统的RS232总线、RS485总线、CAN总线传输距离远,但是其最大传输速度分别为12.8Mbps,10Mbps和1Mbps,无法满足数据高速传输的需要。常用的USB接口和1394接口传输速度高,但是其理论传输距离分别只有5m和10m,无法满足工业现场对远距离传输的要求。为解决传输距离与传输速度之间的矛盾,设计了一种基于千兆以太网的高速数据采集系统。

 

  2 系统总体设计方案

 

  在电缆局部放电检测系统中,需要采集因电缆局部放电而产生的高速脉冲信号并高速远距离传输给上位机做分析处理。系统由工控机、千兆以太网交换机和数据采集卡三部分构成。

  图1为本系统总体设计框图。

 

  

 

  工控机作为上位机控制整个系统,通过向各个数据采集卡发送命令和各种采集参数控制采集卡的工作方式;对从数据采集卡传输上来的高速脉冲信号做分析处理,实现对放电量、放电相位、放电次数等各种局部放电参数的检测;并显示工频周期放电图、二维及三维放电谱图。千兆以太网交换机用于工控机和多个数据采集卡交换数据。根据需要,可以通过交换机的级连从而增加采集卡的数量。数据采集卡安放在被检测电缆旁,被检测电缆每隔500米设置一个节点,每个节点两侧各放置3个采集卡对三相放电高速脉冲信号进行采集。系统以千兆以太网为中心,通过增加采集卡的数量,可以增大现场检测范围。

  数据采集卡使用双通道高速并行采集脉冲信号。

  图2为数据采集卡的原理框图。

 

  

 

  FPGA是数据采集卡的核心,接收上位机的命令,完成对输入信号的接收,缓存并从缓存中取出数据发送给网络模块。

  网络模块承接上位机与FPGA,采用千兆以太网传输技术,是数据采集卡的关键。

 

  3 信号的接收

 

  系统采用宽频带检测技术,应用双传感器定向耦合脉冲信号,要求数据采集卡实现双通道高速同步采集、双通道同步偏差不超过5ns。由于待采集的放电脉冲信号的最高频率可达30MHZ,根据采样定理和实际经验,采集卡的模数转换器采样率须达到IOOMSPS,才能很好地对信号进行复原和检测。为满足这种要求,模数转换器采用2片AD9433。

  AD9433是模拟器件公司生产的一种12位单片采样A/D转换器。它具有片上跟踪/保持电路,转换速率高达125MSPS。

  对于许多应用场合,不需要外部基准和驱动元件。用户可以选择片上专有电路,可以极好地优化无杂散噪声动态范围(SFDR)。编码时钟支持差分或单端输入,输出为二进制或二进制的补码格式。

  A/D转换器对用户提供的取样时钟都十分敏感,跟踪保持电路实质上是一个混频器,任何的噪声、失真或者时钟的抖动都很影响A/D输出的信号。由于这个原因,对AD9433的时钟信号输入的设计必须相当重视。FPGA的输入时钟源为24M,经过内部锁相环倍频后,由PLL专用输出管脚输出为AD9433提供干净的时钟源。

  由于是高速模数混合电路,在设计印刷电路板时,布局布线是很讲究的,应遵循以下原则:

  (1)为减小数字电路的干扰,应将模拟电路和数字电路分开布局;

  (2)对于时钟线、差分线等对干扰很敏感的信号线走线时必须使用3W原则;

  (3)对于高速信号线要考虑传输线效应,注意阻抗匹配;

  (4)信号线走线时要尽可能减少电流环路的面积,以避免形成大的环状天线;

  (5)电路板只采用一个参考平面,避免形成偶极天线;

  (6)为减小信号线上的分布电阻、电容和电感,应尽量缩短走线长度和增大导线间的距离。

 

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