基于EPA技术的船用光电信号采集单元的制作方法

基于epa技术的船用光电信号采集单元
技术领域
1.本发明涉及一种信息采集技术，特别涉及一种基于epa技术的船用光电信号采集单元。


背景技术：

2.光电信号采集单元作为船舶直流电力系统的现场层同步采集装置，能够同步采集多个船用光纤电子式互感器的电流信号，将多路电流信号合并后通信发送至船用综合保护装置执行保护功能。现有光电信号采集单元与综合保护装置之间采用光纤点对点通信方案。随着船舶电站规模和容量的增大，以及电网结构的日益复杂，新型船舶电力系统保护策略，如自适应保护、智能站域保护被逐步提出，现有光电信号采集单元技术方案在数据传输带宽、可靠性、实时性和组网灵活性方面难以满足新应用的需求。


技术实现要素：

3.针对船用现场采集要求随着系统控制性能提升而提高的问题，提出了一种基于epa技术的船用光电信号采集单元，通过epa实时以太网实现多台光电信号采集单元与综合保护装置之间的组网和数据传输，利用epa的时钟同步机制实现多台光电信号采集单元的数据采集同步。
4.本发明的技术方案为：一种基于epa技术的船用光电信号采集单元，包括epa通信协议栈、主控制器、协处理器；
5.船用光电信号采集单元通过协处理器点对点光纤通信接口与数个光纤电流互感器进行信息交互；
6.船用光电信号采集单元通过epa通信协议栈接入epa实时以太网通信网络，向网络发送采集的电流信息，epa通信协议栈接收来自epa网络中主时钟设备发送的对时报文，完成此船用光电信号采集单元的epa节点的时间同步，并生成pps时钟信号发送至协处理器实现同步采集；
7.船用光电信号采集单元内部epa通信协议栈、主控制器和协处理器之间通过并行总线建立通信；主控制器向epa通信协议栈和协处理器发送读/写控制信号，主控制器通过控制epa通信协议栈和协处理器的内部寄存器，实现对两者的控制和信息获取。
8.优选的，所述epa通信协议栈接收到来自epa网络新的控制报文时，向主控制器发送epa中断信号；协处理器完成一次光电信号采集后，向主控制器发送协处理器中断信号。
9.优选的，所述协处理器接收epa通信协议栈每秒发送的pps时钟信号，对同步脉冲的发送周期进行校正，并控制同步脉冲的发送；接收光纤电流互感器发送的电流报文，按格式解析出电流信息；将解析的电流信息存入对应地址中；向主控制器发送中断信号。
10.优选的，所述协处理器向各台光纤电流互感器发送同步采样脉冲，光纤电流互感器在采样脉冲在上升沿时刻采样、下降沿时刻回复发送采样数据报文。
11.优选的，所述根据epa通信协议栈输入的pps秒脉冲对时信号来调整协处理器发送
同步采样脉冲的时间间隔具体方法如下：
12.以协处理器主时钟为计时基准，相邻两个pps秒脉冲之间主时钟的计数值称为秒宽度，相邻两个同步采样脉冲之间的主时钟计数值称为同步采样脉冲宽度；设前一秒秒宽度为second_t1，当前秒宽度为second_t2，当前相邻pps秒脉冲之间主时钟计数值为pps_cnt，同步采样脉冲宽度为sample_t，同步采样频率为f；在每次接收到pps秒脉冲上升沿时刻调整同步采样脉冲宽度，将时间误差均匀分布调整到下一秒的所有同步采样脉冲中，sample_t的计算如下：
13.a)second_t2＝pps_cnt
14.b)sample_t＝(2
×
second_t2
‑
second_t1)/f
15.c)second_t1＝second_t2。
16.本发明的有益效果在于：本发明基于epa技术的船用光电信号采集单元，采用epa通信接口实现船用光电信号采集单元与船用综合保护装置之间的通信，能够提升装置间的数据的传输速率，能够实现多台装置的组网传输；基于epa网络的对时技术，在不增加额外时钟接线情况下，能够实现多台光电信号采集单元的数据采集同步。
附图说明
17.图1为本发明基于epa技术的船用光电信号采集单元结构示意图；
18.图2为本发明协处理器流程图；
19.图3为本发明主处理器流程图；
20.图4为本发明主处理器中断流程图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
22.如图1所示基于epa技术的船用光电信号采集单元结构示意图，包括epa通信协议栈、主控制器、协处理器。
23.船用光电信号采集单元为船用综合保护装置的采集前端，其为船用综合保护装置提供船舶电力系统保护所需的电流信息，因此对数据的同步性和实时性有较高的要求。现有技术方案没有对时网络接口，仅能保证单台船用光电信号采集单元的数据采集同步。本发明利用epa网络的对时信息，实现多台船用光电信号采集单元的数据采集同步。
24.船用光电信号采集单元通过协处理器点对点光纤通信接口与光纤电流互感器进行信息交互。每台光纤电流互感器能够采集一路电流，本单元共可接入4台光纤电流互感器。协处理器向各台光纤电流互感器发送同步采样脉冲，光纤电流互感器在采样脉冲在上升沿时刻采样、下降沿时刻回复发送采样数据报文。
25.船用光电信号采集单元通过epa通信协议栈接入epa实时以太网通信网络，向epa网络发送采集的4路电流信息。epa通信协议栈接收来自epa网络中主时钟设备发送的对时报文，完成本epa节点的时间同步，并生成pps时钟信号发送至协处理器实现同步采集。
26.船用光电信号采集单元通过主控制器协调控制epa通信协议栈和协处理器，完成
采集数据的传输。主控制器与epa通信协议栈、协处理器通过并行总线建立通信，数据总线16bit、地址总线13bit。主控制器向epa通信协议栈和协处理器发送读/写控制信号，通过控制epa通信协议栈和协处理器的内部寄存器，实现对两者的控制和信息获取。epa通信协议栈接收到来自epa网络新的控制报文时，向主控制器发送epa中断信号。协处理器完成一次光电信号采集后，向主控制器发送协处理器中断信号。
27.协处理器采用ep4ce22f17i7型fpga芯片，其控制流程如图2所示。fpga采用模块化编程，各模块软件并行执行。首先上电后对各模块软件进行复位和初始化，主程序分为两大部分：数据解析、同步采样。数据解析是接收各个光纤电流互感器发送的电流报文，按格式解析出电流信息，将解析后的电流信息存入对应地址中，同时向主控制器发送中断信号；同步采样是接收epa通信协议栈每秒发送的pps时钟信号，对协处理器的同步采样脉冲发送周期进行校正，并控制同步采样脉冲的发送。具体控制方案如下：
28.数据解析：首先按照表1数据报文格式解析出电流值(32位数据表示)。将采集1～4路电流值存放于协处理器的数据缓存区中，存放地址为0x0010～0x0016，数据位宽16bit，每路电流值占2个地址，采用小端模式(数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中)存放。
29.表1
[0030][0031]
同步采样：同步采集依赖于采样脉冲的同步性，船用综合保护装置对数据同步性要求一般为误差在10μs以内。单台船用光电信号采集单元输出的各路同步采样脉冲由协处理器控制，软件上并行触发，误差不大于1μs。多台船用光电信号采集单元的同步方案如下：
[0032]
根据epa通信协议栈输入的pps秒脉冲对时信号来调整协处理器发送同步采样脉冲的时间间隔。以协处理器主时钟为计时基准，相邻两个pps秒脉冲之间主时钟的计数值称为秒宽度，相邻两个同步采样脉冲之间的主时钟计数值称为同步采样脉冲宽度。设前一秒秒宽度为second_t1，当前秒宽度为second_t2，当前相邻pps秒脉冲之间主时钟计数值为pps_cnt，同步采样脉冲宽度为sample_t，同步采样频率为f。在每次接收到pps秒脉冲上升沿时刻调整同步采样脉冲宽度，将时间误差均匀分布调整到下一秒的所有同步采样脉冲中，sample_t的计算如下：
[0033]
a)second_t2＝pps_cnt
[0034]
b)sample_t＝(2
×
second_t2
‑
second_t1)/f
[0035]
c)second_t1＝second_t2。
[0036]
主控制器采用stm32h753xih6型arm芯片，总体控制流程如图3所示。主程序首先对主控制器硬件进行初始化；对协处理器执行复位操作；读取epa通信协议栈当前状态，状态正常则表明epa网络已成功建立，状态正常则进入主循环函数，状态异常则控制指示灯进行报警。主循环中检测协处理器的中断信号，接收到中断信号后执行中断响应程序。如图4所示，中断响应程序中执行通过并行总线读取协处理器缓存区的4路电流值，按照epa通信协议栈发送报文格式进行发送数据组包；通过并行总线控制epa通信协议栈发送报文。
[0037]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。