1、基于CPLD控制的水电机组在线监测系统数据采集卡设计基于CPLD控制的水电机组在线监测系统数据采集卡设计 张伟,韩亮,陈斌, 张俊华（清华大学机械工程系 清华大学先进成型制造重点实验室） 摘要：本文介绍了一款可实现无限长时段采样的A/D板，该板基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）控制的水电机组在线监测系统采集卡设计。采集卡具有多通道、板载CPLD器件EPM7256AEQC208-10和基于ISA总线控制技术的特点。采集卡使用交替存储的控制技术，能够实现对信号的连续采集和存储，以确保发电机组运行过程瞬态特征数据不丢失。关键词：CPLD ISA 在线监测 连续采集 SRAM1 引言 目前国内外一般振
2、动信号在线监测系统的数据采集板大都采用图1模式，国内厂家相应系统一般是确定合适的采样频率，针对水电机组连续采样24周或32周。实际上在线监测系统硬件上应该实现无限长的连续采样功能。因此本文介绍一款专门针对在线监测设计研制的A/D板能够实现无限长的连续采样时段，对突发、瞬时故障信号获取给预硬件技术上的保障。图 1 一般A/D板构成数据采集系统的时段分配示意图图 2 在线监测系统专用A/D板无限长数据采集时段示意图由于水电机组设备庞大，结构复杂，诱发故障原因多，且故障停机造成的间接损失大，因此，为实现机组安全可靠运行，对发电机组的振动、摆度、温度、压力等重要的工况参数进行实时监测十分必要。发电机组
3、在运行过程中随时存在大量的瞬态特征数据，这些数据对机组故障原因的分析具有重要意义，因此为了保证状态参量信号中包含的大量重要信息不被丢失，数据采集系统应该具备连续采样和存储的功能。 一般发电机组（包括汽轮机和水轮机）的重要特征频率一般都在1 kHz 以下1，本文介绍的数据采集卡单通道最大采样频率为50kHz，能够满足机组监测的一般需求。并且针对不同机组转速不同，特征频率范围不同的特点，采集卡的采样频率分为8个档，可以通过驱动程序由上位机软件灵活设置。板卡具有8个信号采集通道，通过ALTERA公司CPLD器件EPM7256AEQC208-10控制AD采集、通道选取、数据存储、数据读取、中断控制和读
4、写端口等功能，并且完成采集卡ISA总线与上位PC机进行通讯的功能。板卡采用双SRAM交替存储数据，实现了对信号的连续采集和存储的功能。2 采集卡原理 采集卡的原理如图1所示，其设计思想是：采用两块12bit，最大采样频率200K的A/D芯片，每块A/D芯片负责采集4个通道的信号，通过4选1模拟开关交替选取不同通道轮流采集。采集的数据交替的存储至两片SRAM中，采集完成后发出中断信号，通知计算机总线，由计算机ISA总线选择读取不同SRAM中存储的AD转换后的数字信号。整个过程由CPLD器件控制协调完成。2.1 A/D转化A/D转化器是美国ANALOG公司的AD6782。它是一种高性能的12bit
5、，200kHz的AD转化器，具有75DB信噪比和0.5DB非线性误差，可以直接转换0V至10V，或-5V至+5V电压信号，可以满足发电机组监测系统的需求。2.2 SRAM交替存储机制AD转换的结果一般采用FIFO、双口RAM和SRAM，FIFO、双口RAM的特点是接口方便，特别是双口RAM在实时连续采集系统应用广泛，但是其容量较小，大容量价格比较昂贵，因此，采集卡的数据存储采用价格相对低廉的SRAM。SRAM只有一套地址线和数据线，对其存储和读取的过程是互斥的。为了实现对信号连续采集和存储的功能，采集卡使用交替存储机制，即同一AD芯片使用两块SRAM存储数据，当第一块SRAM存满AD转换的数据
6、后，立刻让AD向第二块SRAM存储数据，这一过程通过CPLD控制锁存器1_1和锁存器1_2完成，与此同时，让计算机总线通过CPLD控制接管第一块SRAM的地址总线和数据总线，如图1所示，通过计算机ISA总线系统读取该SRAM中的数据值并完成上位机显示和画图等功能，这样通过两块SRAM交替存储数据，保证信号在采集存储过程中的连续性和完整性，为事后利用各种方法分析存储的信号，以确定机组运行状态和故障类型提供前提保障。 图1 基于CPLD控制的发电机组在线监测系统数据采集卡原理图3 CPLD控制逻辑设计采集卡数字部分芯片数量多，并且需要控制的信号线、地址总线和数据总线较多，因此选取具有208管腿的C
7、PLD器件EPM7256AEQC208-10控制协调采集卡整个工作过程。该CPLD器件属于Altera公司7000系列，该系列是以第二代多阵列结构为基础，高性能的CMOS器件，其引脚到引脚的时延5ns，计数器工作频率178.6MHz，片内逻辑程序可以重复烧写，方便系统升级。CPLD片内逻辑程序分为：采样频率分档单元、寄存器逻辑控制单元、总线双向读写单元和SRAM交替存储控制单元四大部分组成，每一部分均采用VHDL语言和原理图结合设计的方法实现，最后将四大模块联结成整体程序固化到CPLD芯片内。3.1 采样频率分档采样频率分档原理如图2 所示，该模块通过控制寄存器5将外部晶振信号分频，寄存器5的
8、数值不同对应分频后不同频率的信号，该分频信号接入两片AD芯片的SC模数转换启动引脚，用以控制AD芯片进行采样，同时接入SRAM地址总线计数器和模拟开关地址 图2 采样频率分档单元原理图 计数器的时钟引脚，在AD转换的同时，由Qn_2控制模拟开关地址总线选择不同通道的模拟信号，并通过Qn_1控制SRAM的地址总线，将转换的结果存入SRAM中。当SRAM所有单元写满后，由中断产生模块发出信号至ISA总线中断引脚，通知总线读取SRAM数据，并且发送清零信号至SRAM地址计数器，重新开始下一轮采样过程。 3.2寄存器逻辑控制单元 表1 CPLD各个寄存器功能表寄存器功能Reg1SRAM片选Reg2AD
9、启动/停止采样控制Reg3端口读/写设置Reg4计数器控制Reg5采样频率设定Reg6SRAM交替存储标志Reg7SRAM选择读取标志主要完成在CPLD内部配置各个寄存器的功能，本文研究的采集卡逻辑控制环节较多，因此，在CPLD内部设置了7个不同的寄存器，各个寄存器分别负责控制板卡上的不同芯片。其对应功能如表1所示，Reg1负责片选所有SRAM；Reg2负责AD芯片启动/停止采样控制；Reg3负责端口读/写控制；Reg4是计数器控制清零/计数控制寄存器，同时控制SRAM地址总线计数器和模拟开关地址计数器；Reg5控制采样频率；Reg6和Reg7用于SRAM交替存储机制的控制，将在3.4节详细介
10、绍。 3.3总线双向读写单元为满足总线既能向板卡端口（即CPLD控制寄存器）写数据，又能够从端口和SRAM中读取数据的要求，采集卡ISA数据总线D0至D15直接连接至CPLD程序内部的双向总线端口上，通过ISA端口读写控制信号IOR和IOW，以及内存读写控制信号SMEMR设置CPLD内部双向总线的不同工作状态。如图3 所示，ISA总线的I/O读信号IOR、I/O写信号IOW和内存读信号MEMR信号线接入译码器电路输入端，由译码电路控制16位三态总线的双向总线ISA_SD15.0，设置其状态为“高阻”或“输出”，当双向总线处于“高阻”状态时，ISA总线数据线可以将数据写入CPLD寄存器，当其处于
11、“输出”状态时，ISA总线只能读取CPLD寄存器或SRAM中的数据。采集卡设置寄存器Reg6为可读寄存器，Reg6和SRAM的数据总线均接入多路选择器，由译码器信号SEL控制多路选择器的输出值为Reg6的数值或者为SRAM的数值，输出信号直接通过16位三态总线送至ISA总线数据线。实际系统需要安装多块采集卡，因此ISA总线在读取某块采集卡数据时，其他采集卡的ISA总线应该处于“高阻”状态，这样才能避免总线冲突，在CPLD内部通过寄存器Reg3设置BIDIR_CON信号实现这一功能。计算机ISA总线在对某块板卡进行读取操作时，令Reg3=1,该板卡的双向总线为“输出”状态，同时令其余的板卡的Re
12、g3=0，使其余板卡的双向总线为“高阻”状态，避免总线冲突。 图3 双向总线读写控制框图3.4 SRAM交替存储控制SRAM交替存储通过寄存器Reg6和Reg7控制实现，每块AD芯片对应两片SRAM，实现交替存储模数转换后的数据。当Reg6=1时，两片AD分别向各自的第一块SRAM中存储转换数据，一旦第一片SRAM写满，令 Reg6=2，AD立即开始向第二片SRAM存储转换后的数据。计算机总线在读取SRAM数据之前，首先读入端口Reg6的数值，以判断已经完成数据存储的SRAM，如此交替循环存储，实现连续采样。计算机ISA总线通过Reg7控制选择读取不同的SRAM的数据，如图4 所示。 图 4
13、SRAM交替存储控制原理图 4 结论基于CPLD控制的发电机组在线监测系统数据采集卡采集通道多，满足发电机组结构复杂，工况测点数量多的要求；连续采样存储的特点保障重要瞬态特征数据不丢失。利用可编程逻辑器件CPLD技术，简化了电路板的设计和开发，CPLD内部程序可重复烧写，方便电路板调试和升级。ISA总线系统设计可扩展性强，只需增加相同的板卡，就可以构成功能强大的监测系统。 参 考 文 献1 张正松旋转机械振动监测及故障诊断M北京：机械工业出版社，1991：1 26.2 AD678 Datasheet. Analog Devices, Inc. 2000：1- 12. 3 Altera MAX7000 Programmable Logic Family datasheet . Altera, Inc. 1999 ：1 41.4 杨品，巴林风接口技术M. 北京：清华大学出版社，2001：70 83. 5 张伟，张正松. 300抽水蓄能机组振动状态监测、分析、诊断系统的研究 J. 清华大学学报(自然科学版)，1998，（4）：108-112.
