基于ARM和FPGA的电力光纤信号分析仪的设计

0 引言
    随着电力网络的扩大复杂化和区域互联趋势的到来，电力系统的行为也将越来越复杂。一些原有的假设条件和简化模型的适用性都将接受进一步的挑战与检验。在此情况下丰富详尽的现场实测数据，尤其是故障或非正常状态下的数据。无疑将具有越来越重要的价值。它们不仅是分析故障原因检验继电保护动作行为的依据，也为电力工作者研究了解复杂系统的真实行为，发现其规律提供宝贵的资料，这种电力信号实时分析仪可以实时监测各种有用信息，电力系统也对其提出了更高的要求，而计算机技术的不断突飞猛进，也为这种光纤信号分析仪的采样速率、分析、处理、显示能力提供保证，为提高监控可靠性、准确性、灵活性、实时性以及信息资源共享提供了充分的条件。
    目前，IEC61850标准的制定及其内容已超变电站自动化系统的范围，扩展到其他工业控制领域，成为基于通用网络通信平台的工业控制的国际标准。国内外很多电力设备生产商都在围绕IEC61850开展研究和应用工作，并提出IEC61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上实现“一个世界、一种技术、一个标准”。

1 系统构成及要求
    结合一些与该设计方案关于示波器仪表类似的优秀文章，并取其精华作为设计参考。该光纤信号分析仪主要由三部分组成，包括：接口部分、A／D采集控制部分和显示控制部分，如图1所示。其中每个模块都实现各自的功能，具有良好的可移植性。

    为了达到系统设计的要求，信号分析仪还需具有以下功能：
    (1)光电转换模块将来自不同光接口的光纤信号转换为与光强成正比的电信号，完成1EC61850规定的9-1，9-2，GOOSE格式光信号的接入和转发、IEC60044-7／8规定的FT3格式光信号的接入和转发以及专用采集器光纤信号的接入，而且信号转换误差和测量范围满足一定精度要求。其光信号频率范围为125MBit／s，光电、电光转换误差精度为2％左右为宜。
    (2)A／D采集控制部分实现满足一定精度要求、具有足够采样速率的电信号瞬时值采集、储存、显示、分析。波形分析则主要围绕波形质量和信号特征进行，可能包括“1”状态光电平数值，光信号的上升时间、下降时间，光信号的过冲，光信号的稳定时间，光信号频率等内容。由于需要与光纤信号的速度配套，其采样带宽与光信号的带宽需配合良好；如可能的情况下，采样速率应大于光信号速率的50倍，也可根据实际情况确定；而在A／D转换精度方面优先采用10位的A／D，有困难时考虑8位A／D。
    (3)显示控制部分主要实现IEC 61850规约对GOOSE、9-1、9-2格式的通信方案和要求对其进行信息解码、信息组储存、信息组识别、报文信息显示功能等；IEC60044-7／8对FT3格式(曼彻斯特码)的要求对其进行信息解码、信息组识别、信息组储存、信息显示功能。实现满足IEC 61850规约的MMS报文信息解码、信息组储存、信息组识别、报文信息显示等功能。规约分析单元实现对上述报文的解析、注释、信息计算等功能；还需具有一定容量的波形存储能力和一定容量的报文信息储存能力。最终通过液晶屏幕显示出来，并提供一个人性化、可视效果好、可操作性好的人机交互界面。
    另外，仪器接入测量信号时不会影响系统的正常工作，具有在线监测功能，光纤信号分析仪接线示意图如图2所示。

    除了满足上述要求外，该分析仪还具有很好的信息存储能力及后台分析能力。能实时保存报文信息，保存的帧信息中包含全部的帧信息，包括报文头、添加字节、CRC校验码等数字信息，以便进行后续分析。

2 硬件设计方案
2．1 接口部分设计方案
    接口控制部分主要完成光纤信号接收、转发，主要完成的功能如光纤信号接收、放大；对两路需要采集信号进行放大、选择。这部分的关键技术在于光电／电光模块的选择，光接口波长全为1310 nm、多模、ST接口，主要采用HFBR-5905多模光纤收发器，同样，光纤分路器也为1 310 nm、多模、ST接口，采用型号为DS25BR204的2分4信号分路器。
    如图3的接口板原理框图所示，光信号经光电转换后一分为二，一份提供给信号分析仪作为采集、存储分析使用，另外一份直接作为输出，提供给被测信号或试验信号发生器。

2．2 A／D采集控制板设计方案
    A／D采集控制板是该系统的核心部件。由于考虑到光信号频率较高，一般的A／D转换器根本不能满足本系统设计的要求，要达到该光信号分析仪中要求的采样率大于光信号的25倍甚至50倍的要求，需采用高速A／D采集光信号。A／D采集控制板作为系统的核心部件之一，主要完成的功能有：光模拟信号的7级可变增益放大；光信号3 GHz的采集；信号的实时缓存，缓存深度达到50 K×8 b；信号的非实时存储；信号的上升沿检测(触发)；信号的抽取；ARM接口板控制接口实现等。采集控制板的原理框图如图4所示。采集控制板主要分成采集前端、控制存储和电源管理3个部分。

    采集前端主要完成模拟信号的调理，信号的采集等功能。由ADC，可变增益低噪声放大器和时钟构成，其关键芯片A／D转换芯片采用的是ADC08D1500。
    控制存储部分主要包括控制和存储两个部分。控制部分主要由FPGA来完成，主要功能包括：DDR数据的接收、时钟管理、脉冲检测、FLA-SH接口和ARM控制接口等功能。存储部分由FPGA和NANDFLASH两部分完成，其中FPGA提供RAM存储，NAND FLASH提供ROM存储，其关键芯片FPGA选定为XC5VLX30-1FFG676C。该FPGA总共包含300万门，内置RAM为1 152 Kb，可用管脚为400个，最大支持200对LVDS，有32个专用乘法器资源。由于缓存深度要求为400 Kb，所以FPGA满足缓存深度的要求。FPGA和AD前端的管脚消耗小于100位，和FLASH的管脚消耗小于60位，和ARM部分连接资源消耗小于100位，所以管脚资源肯定满足要求。至于逻辑门数和乘法器的消耗也充分满足系统要求。
    电源管理主要为了生成板内所需要的各种电压，根据主机板的需要，电源模块能够将电池提供的电压转换为多路电压提供给主机板，而当接电源适配器时，不仅能对电池进行充电，还可以同时向主机板供电，其中的关键芯片DC／DC使用TPS54331实现5V直流转换为所需要的1.0 V，1.8 V，2．5 V等直流电压，其结构如图5所示。

    另外，为了节省电池电量以及设备的安全运行，可通过软件控制，当设备长时间没有操作使用时，能实现系统自动关机。
2．3 显示控制部分设计方案
    该部分完成整个系统的人机界面、数据显示、协议解析等功能，基本思路是在设定的工作模式下控制其他模块进行放大、选择、高速采集并存储，完成波形显示、处理等任务。还可以根据需要选择被测信号的格式类型以及测试通道的切换。显示板卡完成功能及连接关系如图6所示。

2．3．1 存储器接口
    该部分由三部分构成，即双口RAM，NORFLASH及FRAM，其中RAM的数据来源于ADC采集板实时存放显示控制板需要的数据；NOR FLASH存放需要备份的数据，如检测到重要的数据信息等；FRAM是整个系统的BIOS，提供系统工作初始状态等信息。
2．3．2 IEC61850规约
    ARM对来自接口板的经光电转换及采集板高速A／D转换的9-1，9-2及GOOSE报文信号进行解析、注释、报文存储等操作。
2．3．3 人机界面
    该部分包含人机交互界面控制、波形显示等功能，实现用液晶显示屏完成来自采集板的数据显示，并通过键盘操作完成部分等同于数字存储示波器的功能。如波形平移、放大、缩小以及测试通道的切换等操作。使操作者能更直接地观察到变电站实时工作状态信息。

3 结语
    本文从硬件方面介绍了一台基于ARM和FPGA用于完成数字化变电站实时信号的获取、解码、分析、显示等功能的光纤信号分析仪的研究与设计。能快速直接的掌握变电站的工作状态，设备的运行情况及报警、报修等有用信息。为了操作携带更为方便，以后将考虑将设备向小型化、手持式方向发展，这就需要设备在功耗、节能方面的表现更加优越。