一種基于fpga的源邊電流檢測(cè)和控制模塊及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊及方法，由輸入信號(hào)調(diào)整單元、模擬加法器單元、控制邏輯電路單元、閥值比較與脈寬控制單元以及斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元組成，1）輸入一差分電流，經(jīng)過(guò)差分單端轉(zhuǎn)化單元、全波整流單元以及濾波單元后輸入模擬加法器單元進(jìn)行電平變換或者進(jìn)入A/D單元進(jìn)行采樣檢測(cè)；2）A/D單元采樣數(shù)值通過(guò)CPCI總線與主控設(shè)備通訊，從而決策短路條件，控制斷路器動(dòng)作；3）主控設(shè)備通過(guò)CPCI總線設(shè)置模擬比較器比較門限，所述電平變換后的結(jié)果在模擬比較電路進(jìn)行比較，通過(guò)FPGA直接控制短路器動(dòng)作；4）從斷路控制單元輸出電流，完成監(jiān)控。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，具有高速、高可靠性等優(yōu)良特征。
【專利說(shuō)明】—種基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于FPGA的源邊電流檢測(cè)(Primary Current Monitoring,簡(jiǎn)稱PCM)模塊，用于高速列車供電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。
【背景技術(shù)】
[0002]高速列車中央控制單元CQJ (Central Control Unit)由供電模塊、中央處理單元CPU、TCN網(wǎng)關(guān)、IO模塊、總線管理模塊、背板等部分組成，主要作用是完成列車系統(tǒng)邏輯控制以及對(duì)各部件監(jiān)控和保護(hù)。
[0003]源邊電流檢測(cè)(PCM)模塊掛載在中央處理單元CPU上，通過(guò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。源邊電流檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)源邊線路輸入電流、返回電流及LC線路濾波器電流，當(dāng)發(fā)生過(guò)載、漏電或電流失衡等危險(xiǎn)情況時(shí)，輸出可恢復(fù)直流控制信號(hào)，源邊電流檢測(cè)主要用于在故障時(shí)接通/切斷源邊電流通路。然而目前國(guó)內(nèi)高速列車系統(tǒng)研發(fā)剛剛起步，尚無(wú)穩(wěn)定可靠的源邊電流檢測(cè)控制模塊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了實(shí)現(xiàn)配合CCU使用的高實(shí)時(shí)性、高可靠性的源邊電流檢測(cè)及控制，本發(fā)明提供一種基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，該模塊由五部分組成:輸入信號(hào)調(diào)整單元、用于線路輸入電流和返回電流監(jiān)控的模擬加法器單元、閾值比較與脈寬控制單元、控制邏輯電路單元及高速斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元。為了實(shí)現(xiàn)與CCU單元中的CPU模塊之間的通信，采取了 PC104標(biāo)準(zhǔn)和PC104標(biāo)準(zhǔn)兼容設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的和廣泛的控制，采用CPCI背板總線物理接口，機(jī)械尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)3U板卡。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，由輸入信號(hào)調(diào)整單元、模擬加法器單元、控制邏輯電路單元、閥值比較與脈寬控制單元以及斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元組成，
[0006]所述輸入信號(hào)調(diào)整單元包括:差分轉(zhuǎn)換單端電路、全波精密整流電路和濾波器電路；
[0007]所述控制邏輯電路單元包括A/D采集電路和FPGA板卡，所述A/D采集電路將采集到的數(shù)據(jù)傳入FPGA并與CPCI總線主控設(shè)備進(jìn)行通訊；
[0008]所述閥值比較與脈寬控制單元包括模擬比較電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和FPGA板卡，F(xiàn)PGA板卡通過(guò)CPCI背板總線反饋的決策數(shù)值給D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)置模擬比較器比較門限，進(jìn)入模擬比較電路；
[0009]所述模擬加法器單元用于監(jiān)控線路輸入電流和返回電流；
[0010]所述斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元通過(guò)HSCB快速斷路電路切斷主斷路器。
[0011 ] 所述源邊電流檢測(cè)和控制模塊由兩組相同的三路模擬信號(hào)輸入電路組成采集電路，采集輸入電流、線路濾波電流以及返回電流。
[0012]所述HSCB快速斷路器由高壓MOSFET與隔離D⑶C控制電路組成。[0013]所述FPGA板卡基于PC104接口協(xié)議構(gòu)造。
[0014]更進(jìn)一步，輸入信號(hào)為6路差分電流信號(hào)。
[0015]更進(jìn)一步，所述差分轉(zhuǎn)換單端電路單元優(yōu)選LM2902四運(yùn)算放大器，差分輸入端采
用二極管組成。
[0016]更進(jìn)一步，所述全波精密整流電路單元優(yōu)選LM2902四運(yùn)算放大器與1N5817肖特基二極管組成，輸入信號(hào)為前級(jí)差分轉(zhuǎn)單端放大電路，輸出信號(hào)為全波整流信號(hào)。
[0017]更進(jìn)一步，所述A/D采集電路單元優(yōu)選AD7920，其中AD7920最大采樣頻率為250K，分辨率為12位。
[0018]更進(jìn)一步，所述D/A轉(zhuǎn)換電路單元優(yōu)選DA7303，SPI接口，采用REF195基準(zhǔn)源供電。
[0019]一種基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制方法，其步驟包括:
[0020]I)輸入一差分電流，經(jīng)過(guò)差分單端轉(zhuǎn)化單元、全波整流單元以及濾波單元后輸入模擬加法器單元進(jìn)行電平變換或者進(jìn)入A/D采集單元進(jìn)行采樣檢測(cè)；
[0021]2) A/D采集單元采樣數(shù)值通過(guò)CPCI總線與主控設(shè)備通訊，決策短路條件，控制斷路器動(dòng)作；
[0022]3)主控設(shè)備通過(guò)CPCI總線設(shè)置模擬比較器比較門限，所述電平變換后的結(jié)果在模擬比較電路進(jìn)行比較，通過(guò)FPGA直接控制短路器動(dòng)作；
[0023]4)從斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元輸出電流，完成監(jiān)控。
[0024]發(fā)明有益效果
[0025]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。采用高性能FPGA完成6路源邊電流信(其中包括兩入兩出標(biāo)準(zhǔn)電流檢測(cè)以及兩路電流平均電流檢測(cè))號(hào)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)以及2路快速斷路控制輸出。具有高速、高可靠性等優(yōu)良特征。本發(fā)明可在任何兼容PC104標(biāo)準(zhǔn)的CPCI物理總線接口，通用性強(qiáng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中PCM源邊電流監(jiān)測(cè)卡優(yōu)選實(shí)施例的電路原理示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中前端差分電流信號(hào)轉(zhuǎn)單端電壓信號(hào)電路示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中全波整流電路示意圖；
[0029]圖4是本發(fā)明一實(shí)施例中模擬濾波電路示意圖；
[0030]圖5是本發(fā)明一實(shí)施例中A/D采集單元示意圖；
[0031]圖6是本發(fā)明一實(shí)施例中模擬加法單元示意圖；
[0032]圖7是本發(fā)明一實(shí)施例中D/A轉(zhuǎn)換單元示意圖；
[0033]圖8是本發(fā)明一實(shí)施例中HSCB斷路器示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0034]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0035]本發(fā)明基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，由輸入信號(hào)調(diào)整單元、模擬加法器單元、控制邏輯電路單元、閥值比較與脈寬控制單元以及斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元組成，輸入信號(hào)調(diào)整單元包括:差分轉(zhuǎn)換單端電路、全波精密整流電路和濾波器電路；控制邏輯電路單元包括A/D采集電路和FPGA板卡，A/D采集電路將采集到的數(shù)據(jù)傳入FPGA并與CPCI總線主控設(shè)備進(jìn)行通訊；閥值比較與脈寬控制單元包括模擬比較電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和FPG板卡，F(xiàn)PGA板卡通過(guò)CPCI背板總線反饋的決策數(shù)值給D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)置模擬比較器比較門限，進(jìn)入模擬比較電路。
[0036]其中，模擬加法器單元用于監(jiān)控線路輸入電流和返回電流；斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元通過(guò)HSCB快速斷路電路切斷主斷路器。源邊電流檢測(cè)和控制模塊采用由兩組相同的三路模擬信號(hào)輸入電路組成的采集電路采集輸入電流、線路濾波電流以及返回電流。HSCB快速斷路器由高壓MOSFET與隔離ECDC控制電路組成。FPGA板卡基于PC104接口協(xié)議。輸入信號(hào)為6路差分電流信號(hào)。
[0037]差分轉(zhuǎn)換單端電路單元優(yōu)選LM2902四運(yùn)算放大器，差分輸入端采用二極管組成。全波精密整流電路單元優(yōu)選LM2902四運(yùn)算放大器與1N5817肖特基二極管組成，輸入信號(hào)為前級(jí)差分轉(zhuǎn)單端放大電路，輸出信號(hào)為全波整流信號(hào)。A/D采集電路單元優(yōu)選AD7920，其中AD7920最大采樣頻率為250K，12位分辨率。D/A轉(zhuǎn)換電路單元優(yōu)選DA7303，SPI接口，采用REF195基準(zhǔn)源供電。
[0038]PCM源邊電流監(jiān)測(cè)板卡用于采集線路輸入電流與返回電流，通過(guò)比較線路輸入電流與返回電流值，獲取線路工作情況信息。當(dāng)線路存在漏電等問(wèn)題時(shí)，PCM檢測(cè)到線路輸入電流與返回電流不相等，通過(guò)CPCI背板總線向CPU板卡發(fā)出預(yù)警，同時(shí)PCM的快速斷路器(HSCB)迅速動(dòng)作切斷主斷路器，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行；PCM檢測(cè)到線路輸入電流與返回電流超過(guò)安全閾值以后，也會(huì)通過(guò)背板總線向CPU發(fā)出預(yù)警，由CPU決策是否切斷主斷路器。
[0039]PCM板卡由兩組完全相同的采集控制單元與一片Xilinx的FPGA組成，每個(gè)單元由三路模擬信號(hào)輸入電路與HSCB快速斷路器構(gòu)成。三路模擬輸入電路采集線路電流、線路濾波電流、返回電流；HSCB快速斷路器由高壓MOSFET與隔離DCDC控制電路構(gòu)成；FPGA用于實(shí)現(xiàn)PC104接口協(xié)議，信號(hào)采集，與斷路控制。
[0040]如圖1所示是本發(fā)明具體實(shí)施例的電路原理框圖；如圖1所示，6路差分電流傳感器信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)差分轉(zhuǎn)單端變換、全波精密整流、濾波器電路處理，其中線路電流與線路濾波電流信號(hào)供A/D采集，數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA采集與CPCI總線主控設(shè)備通訊，當(dāng)過(guò)流、斷路或非平衡等故障發(fā)生時(shí)可控制HSCB斷路器電路切段源邊電流；線路電流與返回電流信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬加法器進(jìn)行差分，進(jìn)入模擬比較電路，F(xiàn)PGA通過(guò)CPCI總線反饋的決策數(shù)值給D/A設(shè)置模擬比較器比較門限，即線路電流與返回電流誤差門限，此門限數(shù)值為安全保護(hù)門限，其范圍寬于正常斷路門限。當(dāng)發(fā)生電流過(guò)大過(guò)載時(shí)，所得比較信號(hào)直接進(jìn)入FPGA，可直接控制HSCB斷路器電路實(shí)施迅速斷路功能，無(wú)需CPCI總線主控設(shè)備決策判斷。[0041 ] 如圖2所示是本發(fā)明一實(shí)施例中前端差分電流信號(hào)轉(zhuǎn)單端電壓信號(hào)電路單元示意圖；如圖所示，該電路屬于運(yùn)放電路的典型差分轉(zhuǎn)單端運(yùn)用，優(yōu)選低成本的LM2902四運(yùn)放(或參數(shù)相近的運(yùn)放)實(shí)現(xiàn)，差分輸入端采用二極管保護(hù)。適應(yīng)50HZ±10HZ的交流模擬信號(hào)，在±5V全量程范圍內(nèi)IX的放大倍率。
[0042]如圖3所示是本發(fā)明一實(shí)施例中全波整流電路單元示意圖；該電路屬于運(yùn)放電路搭建的全波精密整流電路，優(yōu)選低成本的LM2902四運(yùn)放(或參數(shù)相近的運(yùn)放)與1N5817肖特基二極管(或參數(shù)相近的肖特基二極管)構(gòu)成，輸入信號(hào)為前級(jí)差分轉(zhuǎn)單端放大電路，輸出信號(hào)為全波整流信號(hào)。
[0043]如圖4所示是本發(fā)明一實(shí)施例中模擬濾波電路單元示意原理圖；采用低成本運(yùn)放外加電阻電容組成的一階高通濾波器。
[0044]如圖5所示是本發(fā)明一實(shí)施例中A/D采集電路單元示意圖；ADC優(yōu)選電路采用AD7920 (或參數(shù)相近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，其中AD7920最大采樣頻率為250K，12位分辨率，并通過(guò)基準(zhǔn)源REF195供電，為AD7920提供低噪聲的電源，保證其精度。
[0045]如圖6所示是本發(fā)明一實(shí)施例中模擬加法電路單元示意圖；通過(guò)ADG419實(shí)現(xiàn)通道切換，運(yùn)放實(shí)現(xiàn)模擬加法器功能。
[0046]如圖7所示是本發(fā)明一實(shí)施例中D/A轉(zhuǎn)換電路單元示意圖；DAC優(yōu)選DA7303，SPI接口，由FPGA控制輸出，采用REF195基準(zhǔn)源供電，降低輸出噪聲，輸出電壓供給模擬比較電路。
[0047]如圖8是本發(fā)明HSCB斷路器電路圖；HSCB快速斷路器由FPGA通過(guò)光耦控制斷開(kāi)，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)端隔離電路反饋當(dāng)前是否短路或過(guò)流的狀態(tài)給FPGA，由FPGA控制高壓所示大功率MOS動(dòng)作。
[0048]最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，由輸入信號(hào)調(diào)整單元、模擬加法器單元、控制邏輯電路單元、閥值比較與脈寬控制單元以及斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元組成， 所述輸入信號(hào)調(diào)整單元包括:差分轉(zhuǎn)換單端電路、全波精密整流電路和濾波器電路； 所述控制邏輯電路單元包括A/D采集電路和FPGA板卡，所述A/D采集電路將采集到的數(shù)據(jù)傳入FPGA并與CPCI總線主控設(shè)備進(jìn)行通訊； 所述閥值比較與脈寬控制單元包括模擬比較電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和FPGA板卡，F(xiàn)PGA板卡通過(guò)CPCI背板總線反饋的決策數(shù)值給D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)置模擬比較器比較門限，進(jìn)入模擬比較電路； 所述模擬加法器單元用于監(jiān)控線路輸入電流和返回電流； 所述斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元通過(guò)HSCB快速斷路電路切斷主斷路器。
2.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，所述源邊電流檢測(cè)和控制模塊由兩組相同的三路模擬信號(hào)輸入電路組成采集電路，采集輸入電流、線路濾波電流以及返回電流。
3.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，所述HSCB快速斷路器由高壓MOSFET與隔離D⑶C控制電路組成。
4.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，所述FPGA板卡基于PC104接口協(xié)議構(gòu)造。
5.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，輸入信號(hào)為6路差分電流信號(hào)。
6.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，所述差分轉(zhuǎn)換單端電路單元優(yōu)選LM2902四運(yùn)算放大器，差分輸入端采用二極管組成。
7.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，所述全波精密整流電路單元優(yōu)選LM2902四運(yùn)算放大器與1N5817肖特基二極管組成，輸入信號(hào)為前級(jí)差分轉(zhuǎn)單端放大電路，輸出信號(hào)為全波整流信號(hào)。
8.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，所述A/D采集電路單元優(yōu)選AD7920，其中AD7920最大采樣頻率為250K，分辨率為12位。
9.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制模塊，其特征在于，所述D/A轉(zhuǎn)換電路單元優(yōu)選DA7303，SPI接口，采用REF195基準(zhǔn)源供電。
10.一種基于FPGA的源邊電流檢測(cè)和控制方法，其步驟包括: 1)輸入一差分電流，經(jīng)過(guò)差分單端轉(zhuǎn)化單元、全波整流單元以及濾波單元后輸入模擬加法器單元進(jìn)行電平變換或者進(jìn)入A/D采集單元進(jìn)行采樣檢測(cè)； 2)A/D采集單元采樣數(shù)值通過(guò)CPCI總線與主控設(shè)備通訊，決策短路條件，控制斷路器動(dòng)作； 3)主控設(shè)備通過(guò)CPCI總線設(shè)置模擬比較器比較門限，所述電平變換后的結(jié)果在模擬比較電路進(jìn)行比較，通過(guò)FPGA直接控制短路器動(dòng)作； 4)從斷路器驅(qū)動(dòng)電路單元輸出電流，完成監(jiān)控。
【文檔編號(hào)】H02H3/08GK103986116SQ201310049503
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月7日
【發(fā)明者】楊洪陶, 黃東, 于佳晨, 韓超, 郭亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院軟件研究所