开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，首先设计数据采集模块，将模拟量转化为数字量存储在随机访问存储器的不同区域中；采集并存储完毕，输出使能信号启动数据处理模块，根据外部机械中断信号判断进行绝缘或机械数据处理，将结果写入随机访问存储器的区域中；温度信号送入温度数据处理模块进行处理，将温度值写入随机访问存储器的区域中；报警模块定时从随机访问存储器中读数，若超出阈值则进行报警，外部通讯接口模块从随机访问存储器中读取数据，与上位机进行通讯。本发明专利技术的芯片集成了采集、测量、报警、通信等多种功能，能够快速，准确监测断路器各项特性参数，及时报警并与上位机进行通讯，实现了高效性和高可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机应用领域，涉及一种芯片的设计方法，特别涉及一种用可编程专用集成电路ASIC技术设计开关设备在线状态监测专用芯片的方法。
技术介绍
成套开关设备是电力系统的关键主设备之一，其运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。多年来，国际大电网会议(CIGRE)第13研究委员会及我国电力部门(北京电科院)分别对世界范围及中国挂网运行的开关设备可靠性有全面的调查与统计。资料表明，到1999年底，全国电力系统中运行的6-220kV配电开关共27万余台(273153)，比1990年翻了一番。整个90年代中国电力系统配电电压等级开关事故类型分布如下，机械故障(拒分、拒合、误动)33.3％，绝缘故障37.3％，温升故障(载流)8.9％，其它20.5％。这一分布与国际大电网会议于88-91年进行的世界范围内开关可靠性的结果相近似。开关设备故障的发生，带来的后果是十分严重的。其直接的危害是被开关设备所保护的线路、设备受损，电量损失；间接的危害则造成用户大面积停电，影响正常的生活、生产甚至社会稳定。因而，有必要对开关设备实施在线状态监测，及时发现事故隐患，避免事故发生；同时根据开关设备的工作状态，变定期检测为状态监测，可以大大提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。上述研究已成为世界范围内电力工业运行及制造部门愈来愈关注的热点问题。近年来，随着传感器技术、计算机技术、信息技术、微电子技术的飞速发展，开关设备的状态监测获得了快速发展。如ABB公司开发的GIS及SF6断路器局部放电监测装置，日本明电舍公司开发的中压真空断路器真空度在线监测装置，ABB公司中压开关柜母线温度监测装置均已挂网运行。国内高压开关行业归口单位——西安高压电器研究所及一些科研院所正在研发机械特性在线监测技术。总的来说，开关设备的在线状态监测，国内外都在研究开发，目前国内仅西安交大对开关设备的机械特性、绝缘特性、温升特性综合在线检测进行全面的研究开发，并已取得了一定的进展。生产运行安全可靠的智能化开关设备适应了电力工业发展的需求，已成为开关行业发展的趋势。到目前为止，国内的开关设备在线监测装置都是以单片机为核心设计的。CPU的性能高低直接决定了产品性能的好坏。十几年来，电器智能化监测装置在微处理器的选用上发生了很大的变化，从最初的单一8位CPU结构的智能装置问世，很快发展为16位单片机为主流的产品，近几年在高端产品中又发展为以32位单片机和以工业控制计算机以及以数字信号处理器(DSP)技术、多CPU为主导的事实标准。微处理器(MCU)技术的不断发展给人们一个错觉，似乎它是实现电器智能化监测装置的唯一选择。事实上，经过20多年的实践人们发现了微处理器的一些固有不足，有些甚至直接影响了在电器智能化领域的进一步应用。微处理器本身具有一些与生俱来的缺陷。例如MCU以及数字信号处理器DSP都采用排队式串行指令执行方式，从而其工作速度和效率的提高也受限于该工作方式，微处理器MCU以及数字信号处理器DSP的速度不能满足不断出现的新算法对数据处理的要求。另外，由于每一个平台都是针对某一个具体的CPU设计的，因此其硬件、软件具有专用的特点，一旦需要硬件升级，尤其是CPU的升级，必须硬件软件全部重新设计，这也就是目前多种平台共存的一个很重要原因。尤其需要在线更改电路结构时更是无能为力。EDA(电子设计自动化)是近年来迅速发展起来的一项新技术。基于EDA技术的CPLD/FPGA(复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列)器件的开发应用可以克服MCU的根本缺陷。首先，CPLD/FPGA产品越来越多的采用了先进的联合测试行动组-在系统编程JTAG-ISP和在系统配置编程方式。在工作电平下可以随时对正在工作的系统上的CPLD/FPGA进行全部或部分的在系统编程。其次，CPLD/FPGA的高速度也是MCU所无法比拟的，CPLD/FPGA的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。高可靠性也是它的优点之一，除了不存在MCU所特有的复位不可靠与PC可能跑飞等固有缺陷外，CPLD/FPGA的高可靠性还表现在几乎可以将整个系统下载到一片芯片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。另外，开发工具和设计语言标准化，开发周期短也是另一个优点。如何将这一技术应用到电力系统开关设备在线监测领域，是本课题研究的主要内容。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，利用可编程ASIC技术开发一个片上系统SOC，代替以往的单片机用于开关设备在线状态监测，用硬件实现了以往用软件实现的功能，本专利技术的芯片集成了采集、测量、报警、通信等多种功能，能够快速，准确监测断路器各项特性参数，及时报警并与上位机进行通讯，实现了高效性和高可靠性。本专利技术的技术方案是这样实现的一种，利用可编程ASIC技术按照基于平台的方法对芯片进行设计，主要包括以下步骤首先设计数据采集模块，控制外部A/D转换器件，将模拟量转化为数字量存储在芯片内部RAM1的不同区域中；一旦采集并存储完毕，则输出使能信号启动数据处理模块，数据处理模块根据外部机械中断信号判断进行绝缘数据处理或者机械数据处理，并将绝缘或机械数据处理结果写入RAM2相应的区域中；其中，温度信号是频率信号，直接送入温度数据处理模块进行处理，将计算出的温度值写入RAM2相应的区域中；报警模块定时从RAM2中读数，若超出阈值则进行报警，外部通讯接口模块从RAM1或RAM2中读取数据，与上位机进行通讯。所述的数据采集模块由四部分组成采样周期时序产生电路、AD通道选择控制器、读写地址发生器、RAM缓冲区；当有模拟量到来时，采样周期时序产生电路输出使能信号使A/D转换器Max125开始工作，同时A/D通道选择控制器输出通道选择信号控制外部的多路选择器进行多路选择；然后，采样周期时序产生电路通过双向总线将工作模式控制字写入A/D转换器内部寄存器；写入完毕后，采样周期时序产生电路输出AD转换启动信号启动A/D转换；转换完毕后，采样周期时序产生电路输出采样完毕信号启动读写地址发生器，同时AD通道选择控制器也输出通道号给读写地址发生器和后续模块；然后读写地址发生器输出写使能信号和写地址信号给RAM缓冲区，将A/D转换器Max125输入的数字量信号存储到RAM缓冲区内。数据处理模块是由各部分独立的温度数据处理模块、绝缘数据处理模块、机械数据处理模块三部分组成。所述的绝缘数据处理模块由任务调度子模块、数据去毛刺子模块、数据滤波子模块、计算有效值子模块、RAM2控制子模块组成；该模块以任务调度子模块为核心，当绝缘数据处理模块的使能信号到来时，任务调度子模块输出使能信号从RAM1取数据并进行数据去毛刺处理；数据去毛刺处理完毕后数据去毛刺子模块通知任务调度子模块，任务调度子模块输出使能信号对数据进行滤波；滤波完毕后数据滤波子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算有效值；有效值计算完毕后，计算有效值子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号启动RAM2控制子模块将结果送入RAM2；数据送完后RAM2控制子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出绝缘数据处理完毕信号。所述的机械数据处理模块以任务调度子模块为核心，当机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，芯片采用一种基于平台的设计方法；包括以下步骤：首先设计数据采集模块，控制外部Ａ／Ｄ转换器件，将模拟量转化为数字量存储在芯片内部随机访问存储器ＲＡＭ１的不同区域中；一旦采 集并存储完毕，则输出使能信号启动数据处理模块，数据处理模块根据外部机械中断信号判断进行绝缘数据处理或者机械数据处理，并将绝缘或机械数据处理结果写入随机访问存储器ＲＡＭ２相应的区域中；其中，温度信号是频率信号，直接送入温度数据处理模块进行处理，将计算出的温度值写入随机访问存储器ＲＡＭ２相应的区域中；报警模块定时从随机访问存储器ＲＡＭ２中读数，若超出阈值则进行报警，外部通讯接口模块从随机访问存储器ＲＡＭ１或随机访问存储器ＲＡＭ２中读取数据，与上位机进行通讯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：荣命哲，贾申利，马强，李琨，王小华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]