基于ARM和FPGA的电力光纤信号分析仪的设计（2） 转换器, 分析仪, 控制板, 检测, 接口

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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。