基于AD7606的智能電網數據采集系統設計

王水魚，王 偉

(西安理工大學，陜西 西安 710048)

基于AD7606的智能電網數據采集系統設計

王水魚，王 偉

(西安理工大學，陜西 西安 710048)

鑒于智能化變電站設備中的多路電流和電壓的測量和監控需求，設計了一種基于AD7606的多通道數據采集系統。詳細介紹了16位、8通道模數轉換芯片AD7606的工作特性及常用工作方式設置，以此為基礎設計了以現場可編程門陣列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)為核心控制器的模/數轉換的控制和信號傳輸的軟件代碼。該系統可通過串口總線與PC之間實現數據交換，適用于智能電網中電力系統參數的采集。

數據采集；多通道；AD7606；FPGA;

0 引言

當今世界電力系統發展和變革日新月異，進入21世紀，智能電網成為最新動向，并逐步成為一項龐大的系統工程。智能電網就是電網的智能化，它是融合了現代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術、控制技術以及先進的決策支持系統技術，與物理電網高度集成，以特高壓電網為骨干網架，以各電壓等級電網協調發展的堅強電網為基礎而形成的新型電網[1]。

高性能模擬數字轉換器ADC提供了可以滿足智能化變電站系統所需的性能和分辨率，它的使用使信號處理技術日益增強，從而使系統的穩定性不斷提高。AD7606是ADI公司生產的一款16位8通道同步采樣ADC，具有優異的信噪比(Signal-NoiseRatio,SNR)，并且可以通過過采樣模式進一步提高SNR。智能化變電站系統中往往包含多個電流/電壓互感器，對ADC的通道數的需求較多。

AD7606多通道的集成使得多路電壓/電流的監控和測量變得輕松，可以更加方便地對電力線路上可能發生的各種異常事件進行實時檢測和管理，實現變電站的管理智能化、測量數字化和功能綜合化，順應智能化系統發展方向，確保電力系統的安全穩定運行[2]。

1 硬件電路設計

本設計以Altera公司EP4C系列EP4CE15F23C8型芯片FPGA為采集模塊控制核心，用于接受PC下發的采集命令，上傳多通道采集數據。EP4C系列FPGA部邏輯資源豐富、配置靈活、處理速度高，可以滿足多路信號的高速采集與處理需求，尤其適用于對實時性、可靠性要求嚴格的應用中。

1.1A/D轉換芯片AD7606

AD7606為16位同步采樣ADC，每個芯片有8個采集通道，所有的通道均能以200kS/s的速率進行采樣。它不需要正負雙電源，而是采用5V單電源供電，并支持雙極性信號輸入，輸入范圍可選±5V、±10V，同時模擬輸入端箝位保護電路可以承受最高達±16.5V的電壓，具有1MΩ模擬輸入阻抗的輸入緩沖器。它采用2.5V基準電壓源，提供了過采樣和數字濾波功能。通過管腳OS[2:0]可以設置過采樣倍數(OSR)為:×2,×4,×8,×16,×32,×64。AD7606具有并行接口、高速串行接口和并行字節接口，可以直接與FPGA相連，從而實現電壓、電流數據的同步采集功能[3]。

1.2AD7606硬件配置方式及其與FPGA接口

(1)設置RANGE=0，設置模擬輸入范圍是±5V。

(2)設置PAR/SER/BYTESEL=0，選擇使用并行接口模式。

(3)將CONVSTA與CONVSTB短接，所有通道同步采樣。

(4)設置REFSELECT=1，使用內部基準電壓。

AD7606與FPGA接口電路如圖1所示。

圖1 AD7606與FPGA接口電路圖

2 系統軟件設計與實現

本數據采集系統采用VerilogHDL編程，在頂層模塊中例化3個子模塊，分別是AD7606模塊、Volt_cal模塊、UART模塊。系統軟件整體結構如圖2。

圖2 FPGA軟件模塊結構圖

2.1AD7606模塊

圖3 并行模式AD7606時序圖

2.2Volt_cal模塊

AD7606的輸出編碼方式為二進制補碼。所設計的碼轉換在連續最低有效位(LeastSignificantBit,LSB)整數的中間(即1/2LSB和3/2LSB)進行。AD7606的LSB大小為FSR(滿量程)/65 536。AD7606的理想傳遞特性如圖4所示。

圖4 AD7606傳遞特性

本系統設置RANGE=0, 即模擬輸入范圍是±5V。可知1LSB=5V/32 768=0.15mV。Volt_cal模塊把從AD7606模塊采集到的16bit的數據進行適當轉換：bit[15]轉換為正負符號，bit[14:0]先通過以下的公式轉換成電壓值，再把十六進制的電壓值轉換成20bitBCD碼，然后把8路數據的符號和電壓值傳輸給UART模塊進行發送[4]。

VIN=(CODE×5V)/32768

2.3UART串口發送模塊

此模塊根據UART串口發送協議，依次將8路的電壓值通過串口總線發送到PC,在上位機軟件上可以觀測采集到的電壓值。

串口的發送時鐘通過50MHz的片上時鐘分頻得到，發送的波特率采用9 600b/s。

3 系統測試及性能分析

表1為8個通道(CH1～CH8)對四個模擬電壓值的測試結果， 第一列基準電壓為高精度數字萬用表測量的數據，后面8列為AD7606采集的結果。

表1 8個通道采集數據與基準值對比 (mV)

通過外加電壓和高精度的電壓表的測量比較，在-5V～+5V電壓輸入范圍之間AD7606的實際測量誤差在2mV以內，符合設計需求。

在本系統中，尚未使用過采樣倍率使能過濾器來提高AD的精度，在對采樣的速度要求不高的情況下，可以在程序里采用設置過采樣倍率的方法，進一步提高采樣的精度[5]。

4 結論

本方案設計了一個基于AD7606的8路模擬電壓/電流信號的數據采集系統，通過并聯AD7606芯片，還可以實現16路甚至更多通道的數據采集。這種方案不僅可以通過串口總線或者以太網上傳實時的數據到PC，也可以利用FPGA強大的數據處理能力在本地把采樣數據按照標準的數據傳輸協議進行組幀發送給合并單元。將FPGA與AD7606結合，進行數字系統設計，可以簡便、高速地實現多路數據采集和處理，具有體積小、結構簡單、數據處理能力強的優點，在智能電網系統具有很大的應用價值。

[1] 于克泳,孫建軍.新一代16位8通道同步采樣ADC-AD7606在智能電網中的應用[J].電子產品世界,2010,17(10):63-65.

[2] 童寧. 基于FPGA的電子式互感器數據采集系統[D].武漢：華中科技大學,2013.

[3] 吳騫.AD7606在電力系統參數采集中的應用與設計[J]. 電子世界,2012(21):68-69.

[4] 丁國成,甄超,孫明利,等. 基于FPGA技術的高精度電子式互感器采集系統的設計[J]. 安徽電力, 2015(2):18-20.

[5] 陶海軍,張一鳴,曾志輝，等.基于AD7606的多通道數據采集系統設計[J].工礦自動化,2013，39(12):110-113.

DesignofsmartgriddataacquisitionsystembasedonAD7606

WangShuiyu,WangWei

(Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China)

Inviewoftherequirementofthemeasurementandmonitoringofmulti-channelcurrentandvoltageintheintelligentsubstationequipment,amulti-channeldataacquisitionsystembasedonAD7606isdesigned.Thispaperintroducestheworkingcharacteristicsandthesettingofcommonworkingmodeofthe16bit,8channelADCchipAD7606indetail.Basedonthis,thesoftwarecodeforthecontrolandsignaltransmissionofanalog/digitalconverterwithFieldProgrammableGateArray(FPGA)asthecorecontrollerisdesigned.ThesystemcanrealizedatatransmissionbetweenserialbusandPC,whichissuitableforthecollectionofpowersystemparametersinsmartgrid.

dataacquisition;multi-channel;AD7606;FPGA

TM

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.002

王水魚，王偉. 基于AD7606的智能電網數據采集系統設計[J].微型機與應用，2016,35(22)：8-10.

2016-05-26)

王水魚(1958-)，男，副教授，主要研究方向: 信號采集系統與電子測量技術。

王偉(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向: 信號采集系統與電子測量技術。E-mail: 574193276@qq.com。