CN203070010U - 一种用于柔性交流输电装置的多功能板卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种用于柔性交流输电装置的多功能板卡，包括双核处理器、现场可编程门列阵、存储单元、以太网单元、工业以太网总线接口单元、电平转换单元、双核处理器外设接口、串行通信接口单元、输入显示单元、通用输入输出接口单元和电源管理单元；双核处理器分别与现场可编程门列阵、存储单元、以太网单元、电平转换单元、双核处理器外设接口、串行通信接口单元、输入显示单元和电源管理单元连接；现场可编程门列阵分别与工业以太网总线接口单元、电平转换单元和电源管理单元连接；电平转换单元与通用输入输出接口单元连接。本实用新型具备较强的可靠性、灵活性和通用性，集控制、保护、录波功能于一体，应用范围覆盖所有的柔性交流输电装置。

Description

一种用于柔性交流输电装置的多功能板卡

技术领域

本实用新型属于电力电子装置领域，具体涉及一种用于柔性交流输电装置的多功能板卡。 

背景技术

电力电子装置是由各类电力电子电路组成的装置，用于大功率电能的变换和控制。它包括整流器、逆变器、直流变流器、交流变流器、电机调速装置、直流输电装置、无功补偿装置等。柔性交流输电技术属于电力电子装置的核心技术。静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）、静止同步串联补偿器（Static synchronous series com pensator,SSSC）、统一潮流控制器（Unified power flow controller,UPFC）、动态电压恢复器（dynamic voltage restorers，DVR）等等都是柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）的核心装置，均采用新一代的电力电子器件，如：门极可关断晶闸管（GTO），绝缘栅双极型晶体管（IGBT），集成门极换向晶闸管（IGCT），并且采用现代控制技术。上述新型FACTS装置用来提高交流输电系统的可控性和传输容量。 

柔性交流输电装置的控制系统需要在每个采样周期内采样与系统相关的电压电流模拟量，存储海量数据，提供复杂的计算来实现装置的控制策略和保护算法，采集柔性交流输电装置的开关量信号，控制一次回路的开关分合，对所有开关器件的动作行为进行同步控制、并相互交换信息，与监控界面交互数据实现参数下发、定值查询、电压电流模拟量显示、运行状态显示、开关操作、装置投切等等。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种层次合理、功能强大、结构紧凑、集成度高、易于实现且控制效果良好的用于柔性交流输电装置的多功能板卡，实现了对柔性交流输电装置的控制、保护及录波三种功能。 

本实用新型提供的一种用于柔性交流输电装置的多功能板卡，其改进之处在于，所述板卡包括双核处理器、现场可编程门列阵FPGA、存储单元、以太网单元、工业以太网EtherCAT总线接口单元、电平转换单元、双核处理器外设接口、串行通信接口单元、 输入显示单元、通用输入输出接口单元和电源管理单元； 

所述双核处理器分别与所述现场可编程门列阵FPGA、所述存储单元、所述以太网单元、所述电平转换单元、所述双核处理器外设接口、所述串行通信接口单元、所述输入显示单元和所述电源管理单元连接； 

所述现场可编程门列阵FPGA分别与所述工业以太网EtherCAT总线接口单元、所述电平转换单元和所述电源管理单元连接； 

所述电平转换单元与所述通用输入输出接口单元连接。 

其中，所述工业以太网EtherCAT总线接口单元包括用于扩展低压差分信号（LVDS）接口的EtherCAT总线接口和用于扩展光信号接口的EtherCAT总线接口。 

其中，所述双核处理器外设接口包括EMAC接口、EMIFA接口、EM IFB接口、SPI接口、USB总线单元、I2C接口、UART接口、MMC/SD/SDIO接口、LCD接口、JTAG接口；其中： 

所述EMAC接口与所述以太网接口单元的网络物理芯片LAN8701A进行网络通讯； 

所述EMIFA接口分别与所述存储单元和所述现场可编程门阵列FPGA互连； 

所述EMIFB接口与所述存储单元互连； 

所述SPI接口与所述存储单元互连； 

所述USB接口的电源通过电源开关电路与USB插座的电源连接，USB接口的数据总线并联ESD保护电路与USB插座的数据接口互连； 

所述I2C接口设有两个，其中一个与所述存储单元互连，另一个与所述输入显示单元中的键盘扩展电路互连； 

所述LCD接口与所述输入显示单元中的LCD接口电路互连； 

所述UART接口，与所述串行通信接口单元互连后，通过所述串行通信接口单元与PC机进行串行通信； 

所述MMC/SD/SDIO接口与所述存储单元互连； 

所述JTAG接口与14pin的JTAG插座互连，通过DSP仿真器与PC机进行通信。 

其中，所述存储单元包括并行的DDR存储器、SPI Flash存储器、SD卡存储器、NAND Flash存储器和EEPROM存储器；其中： 

所述NAND Flash存储器采用三星公司的64M Byte容量的K9F1216U0A； 

所述DDR存储器采用Micron公司的64M Byte容量的MT46H32M16LFBF； 

所述SPI Flash存储器采用Numonyx公司的8M Byte容量的M25P64； 

所述EEPROM存储器采用Microchip公司2K Byte容量的AT24LC16； 

所述SD卡存储器采用通用的4G byte容量的SD卡。 

其中，所述现场可编程门列阵FPGA采用Xilinx公司的型号为XC3S500E的FPGA。 

其中，所述双核处理器包括集成了浮点型ARM926EJ-S RISC MPU和TMS320C6748浮点DSP的低功耗双核处理器，其型号为OMAP-L138。 

其中，所述以太网单元包括以太网控制器，以太网控制器采用SMSC公司的LAN8710A，与其配置的网络变压器采用HR601680，网口采用带网络连接状态指示的RJ45接口。 

其中，所述USB总线单元包括电源开关、ESD保护电路和USB接口； 

所述电源开关串联在所述双核处理器和所述USB接口之间； 

所述ESD保护电路并联在所述双核处理器和所述USB接口之间的连线上。 

其中，所述串行通信接口单元包括RS232接口模块；所述串行通信接口单元采用光耦HCPL-0600进行光电隔离、采用MAX232作为RS232收发器。 

其中，所述通用输入输出接口单元将80路现场可编程门列阵FPGA和32路双核处理器的IO引脚通过方向控制电平转换单元扩展到背板接口； 

其中，所述电源管理单元包括电源管理芯片I和电源管理芯片II； 

所述电源管理芯片I为双核处理器提供3.3V、1.8V和1.2V电源； 

电源管理芯片II为现场可编程门列阵FPGA提供3.3V、2.5V和1.2V电源。 

与现有技术比，本实用新型的有益效果为： 

1）该多功能板卡具有功能强大、通用性好等优点，可用于控制板、保护板和录波板，可针对三种板卡不同的用途编写相应的程序； 

2）该多功能板卡CPU性能良好，双核CPU协同工作，能完成大量的数据计算和控制功能，满足各种柔性交流输电装置的应用需求； 

3）该多功能板卡集成有50万系统门的FPGA，不仅能满足对EtherCAT总线的控制、与OMAP-L138交互数据的功能和整块板卡逻辑地址译码的用途，还能直接输出80路PWM脉冲； 

4）该多功能板卡使用工业以太网EtherCAT总线作为实时通讯接口，数据传输速度达到100Mbit/s，在各种现场总线中处于领先优势，并且对外通讯物理层使用光纤通信技术（即光纤以太网），具有信号传输速度快、隔离性好等优点； 

5）该多功能板卡使用以太网与PC机实现通讯管理，可以通过LCD屏下发指令或者是进行录播操作，通过以太网实现上位机的操作状态同步，当通过上位机来进行操作时，LCD屏同步指示操作运行状态； 

6）该多功能板卡应用范围广泛，可应用于多种柔性交流输电装置，具有控制目的明确、易于实现且控制效果稳定等特点。 

附图说明

图1为本实用新型提供的系统组成框图； 

图2是本实用新型提供的双核处理器OMAP-L38与DDR的接口示意图； 

图3是本实用新型提供的双核处理器OMAP-L38与SPI FLASH的接口示意图； 

图4是本实用新型提供的双核处理器OMAP-L38与网络接口的接口示意图； 

图5是本实用新型提供的双核处理器OMAP-L38与NAND FLASH的接口示意图； 

图6是本实用新型提供的双核处理器OMAP-L38与SD卡的接口示意图； 

图7是本实用新型提供的双核处理器OMAP-L38与RS232的接口示意图； 

图8是本实用新型提供的双核处理器OMAP-L38与USB的接口示意图； 

图9是本实用新型提供的XC3S500E与LVDS总线的接口示意图； 

图10是本实用新型提供的XC3S500E与光纤接口的接口示意图； 

图11是本实用新型提供的与FPGA相连的80路开关量输入输出接口示意图； 

图12是本实用新型提供的与OMAP-L138相连的28路开关量输入输出接口示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。 

本实施例提供的一种用于柔性交流输电装置的多功能板卡，其框图如图1所示，所述板卡包括双核处理器、现场可编程门列阵FPGA、存储单元、以太网单元、工业以太网EtherCAT总线接口单元、电平转换单元、双核处理器外设接口、串行通信接口单元、输入显示单元、通用输入输出接口单元和电源管理单元；所述双核处理器分别与所述现场可编程门列阵FPGA、所述存储单元、所述以太网单元、所述电平转换单元、所述双核处理器外设接口、所述串行通信接口单元、所述输入显示单元和所述电源管理单元连接；所述现场可编程门列阵FPGA分别与所述工业以太网EtherCAT总线接口单元、所述电平转换单元和所述电源管理单元连接；所述电平转换单元与所述通用输入输出接口单元连接。 

本实施例的多功能板卡基于一片低功耗的双核处理器（ARM+DSP）芯片与一片现场可编程门阵列（FPGA）组合而成，所述多功能板卡采用OMAP-L138的ARM来实现通信和外部设备的管理，DSP来实现控制策略，工业以太网EtherCAT总线接口单元通过FPGA来实现控制和通讯，采用SPI FLASH芯片存储OMAP-L138的程序，采用DDR芯片运行程序，采用EEPROM芯片存储定值和参数，采用NAND Flash、SD卡存储用户数据；所述多功能板卡采用工业以太网EtherCAT总线作为主要的实时通信接口，其中一路是扩展低压差分信号（LVDS）接口的EtherCAT总线，另一路扩展光信号接口的EtherCAT总线；所述多功能板卡采用RS232和以太网接口作为调试接口；所述多功能板卡采用以太网接口负责与上位机进行通讯；所述多功能板卡通过FPGA扩展80路方向可配置的开关量输入输出接口，通过DSP扩展32路方向可配置的开关量输入输出接口，包括12路PWM脉冲输出接口；所述多功能板卡采用两个96针的欧式端子与其它板卡通讯，DSP和FPGA均有双向IO口连接到欧式端子上。 

本实施例的核心处理器，是一片集成了浮点型ARM926EJ-S RISC MPU和TMS320C6748浮点DSP的低功耗双核处理器OMAP-L138，ARM来完成控制保护和外围设备的管理；DSP主要用于控制策略的实现；外设接口有：EMAC接口、EMIFA接口、EMIFB接口、SPI接口、USB总线单元、I2C接口、UART接口、MMC/SD/SDIO接口、LCD接口、JTAG接口，其中： 

EMAC接口，与所述以太网接口单元的网络物理芯片LAN8701A互连，进行网络通讯； 

EMIFA接口，与所述存储单元中的NAND FLASH互连，扩展出64M Byte数据存储空间，同时与所述现场可编程门阵列单元互连，扩展IO和实现对外设的控制； 

EMIFB接口，与所述存储单元中的DDR互连，扩展出64M Byte的程序运行空间； 

SPI接口，与所述存储单元中的SPI Flash互连，扩展出8M Byte的程序存储空间； 

USB总线单元，包括电源开关、ESD保护电路和USB接口；所述电源开关串联在所述双核处理器和所述USB接口之间；USB接口的数据总线并联ESD保护电路与USB插座的数据接口互连，扩展出USB2.0接口； 

I2C接口，有两个I2C接口，其中一个与所述EEPROM存储单元互连，扩展出2K Byte的定值存储空间；另一个与所述键盘和LCD接口单元的键盘扩展电路互连，实现键盘信号的检测； 

LCD接口，与所述键盘和LCD接口单元的LCD接口电路互连，实现LCD屏的显 示； 

UART接口，与所述串行通信单元中的隔离保护模块、RS232电压转换芯片和接口RS232电压转换芯片互连后，通过RS232接口与PC机进行串行通信； 

MMC/SD/SDIO接口，与所述存储单元中的SD卡存储器互连，扩展出4G Byte的数据存储空间； 

JTAG接口，与14pin的JTAG插座互连，通过DSP仿真器与PC机进行板卡调试、测试工作。 

FPGA采用Xilinx公司的Spartan-3e系列50万系统门的芯片XC3S500E。FPGA（XC3S500E）与所述OMAP-L138芯片的EMIFA接口相连；FPGA与所述工业以太网EtherCAT总线接口互连；FPGA用于生成PWM脉冲；FPGA（XC3S500E）负责整块多功能板卡所有芯片的逻辑地址译码。 

其中，所述现场可编程门阵列（FPGA）采用Xilinx公司的Spartan-3e系列50万系统门的芯片XC3S500E。FPGA（XC3S500E）与所述OMAP-L138芯片的EMIFA接口相连；FPGA与所述工业以太网EtherCAT总线接口互连；FPGA用于生成PWM脉冲；FPGA（XC3S500E）负责整块多功能板卡所有芯片的逻辑地址译码。 

其中，所述EtherCAT总线接口模块（LVDS）和EtherCAT总线接口模块(光头)采用德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)的EtherCAT从站接口芯片ET1100，用于与其他板卡的实时通讯。 

其中，所述以太网接口模块的网络物理芯片采用SMSC公司的LAN8710A，网络变压器采用HR601680，通过RJ45接口与PC机进行通讯。 

其中，所述NAND Flash存储器采用韩国三星公司的64M字节大容量FLASH芯片K9F1216U0A，用于存储录波数据。 

其中，所述SPI Flash存储器采用Numonyx公司的64Mbit容量的M25P64，用于存储应用程序。 

其中，所述DDR存储器采用Micron公司的64M Byte容量的MT46H32M16LFBF，用于程序运行。 

其中，所述SD卡存储器采用通用的SD卡接口，可以插入4G Byte容量的SD卡。 

其中，所述EEPROM存储器采用Atmel公司的16K位的AT24LC16，用于存储定值参数。 

其中，所述USB接口采用TPS2042作为电源开关，采用TPD2E001作为ESD保护 电路，可以外接USB存储器或者键盘鼠标。 

其中，所述串行通信接口单元采用MAXIM公司的RS232接口控制芯片MAX232，用于调试接口。 

其中，所述键盘接口通过I2C接口外接TCA6416扩展得到。 

其中，所述LCD接口通过电平转换芯片SN74AVC16T245来实现与夏普公司的7.5英寸、分辨率是640*480的液晶屏的连接。 

其中，所述通用输入输出接口单元通过TI公司的电平转换芯片SN74LVTH164245将电平由3.3V转换成5.0V，与外部板卡信号相连接。 

其中，所述电源管理单元，TPS65070为OMAP-L138提供3.3V、1.8V、1.2V电源；TPS75003为XC3S500E提供3.3V、2.5V和1.2V电源。 

图2为DDR接口示意图，DDR存储器采用Micron公司的64M Byte容量的MT46H32M16LFBF，用于程序运行，本实用新型中DDR的速度可以达到133MHz。 

图3为SPI FLASH接口示意图。SPI FLASH与OMAP-L138的SPI接口互连，SPI Flash存储器采用Numonyx公司的64Mbit容量的M25P64，用于存储应用程序。 

图4为网络接口，LAN8710A与OMAP-L138的EMAC接口互连，网络变压器采用HR601680，通过RJ45接口与PC机进行通讯。 

图5为NAND FLASH模块示意图。图5所示NANDFLASH与OMAP-L138的EMIFA接口相连，NAND Flash存储器采用韩国三星公司的64M字节大容量FLASH芯片K9F1216U0A，用于存储录波数据。 

图6为SD卡接口模块示意图。OMAP-L138自身含有MMC/SD控制器。OMAP-L138可以直接对SD卡进行扩展，本实用新型扩展了4G的SD卡。 

图7为RS232调试接口模块示意图。OMAP-L138自身含有RS232控制器。OMAP-L138的RS232控制器接口通过光耦HCPL-0600隔离后连接到RS232电压转换芯片MAX232，MAX232直接连接到RS232接口端子上。接口端子通过通讯线与电脑连接，从而可实现在线调试。 

图8为USB接口模块示意图。OMAP-L138自身含有USB控制器，可以通过外接电源开关电路和ESD保护电路外接USB外设。 

图9为EtherCAT总线接口模块（LVDS）的示意图。EtherCAT总线的传输速度可达到100M，高实时性的性能可满足实时控制的要求。EtherCAT总线接口模块（LVDS）的核心是ET1100芯片。图9所示ET1100芯片左侧与FPGA的总线相连接，右侧通过 低压差分信号线（LVDS）与96针的欧式端子相连，欧式端子与其他板卡相连。这样，FPGA就可以通过EtherCAT总线接口模块（LVDS）与其他板卡交互数据。 

图10为EtherCAT总线接口模块(光头)的示意图。图10所示ET1100芯片左侧与FPGA的总线相连接，右侧有两个端口分别通过以太网的PHY芯片KS8721连接到光头接口AFBR-5803上。EtherCAT总线接口模块(光头)通过光纤与其他的板卡相连接，FPGA就可以通过EtherCAT总线接口模块(光头)与其他板卡交互数据。 

图11与FPGA相连接的80路开关量输入输出接口示意图。80路开关量输入输出接口左侧连接FPGA（XC3S500E）的IO口，右侧连接5片电平转换芯片SN74LVTH164245，电平转换芯片将转换后的5V电平信号送到96针的欧式端子，与其他板卡相连。可通过IO方向控制按钮来控制5片电平转换芯片转换电平的方向，从而可配置信号是输入还是输出。OMAP-L138可通过与FPGA（XC3S500E）连接的地址数据总线间接控制80路开关量信号的每一路。 

图12为与OMAP-L138相连接的28路开关量输入输出接口示意图。32路开关量输入输出接口左侧连接OMAP-L138的GPIO口，右侧连接2片电平转换芯片SN74LVTH164245，电平转换芯片将转换后的5V电平信号送到96针的欧式端子，与其他板卡相连。OMAP-L138可直接控制32路开关量信号。32路开关量信号中有12路可作为PWM脉冲输出，直接驱动IGBT、GTO等开关器件。 

所述多功能板卡可以用于各种柔性交流输电装置的控制、保护、或者录波，针对不同的装置的应用要求，可采用一块或者几块板卡。对于规模相对比较小的装置，控制、保护和录波的功能可以集成在一块板卡上；对于规模相对比较大的装置，控制、保护和录波的功能可以分开，专用作控制板、保护板、录波板；也可用控制保护板与录波板配合使用。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (11)

1.一种用于柔性交流输电装置的多功能板卡，其特征在于，所述板卡包括双核处理器、现场可编程门列阵FPGA、存储单元、以太网单元、工业以太网EtherCAT总线接口单元、电平转换单元、双核处理器外设接口、串行通信接口单元、输入显示单元、通用输入输出接口单元和电源管理单元； 

所述双核处理器分别与所述现场可编程门列阵FPGA、所述存储单元、所述以太网单元、所述电平转换单元、所述双核处理器外设接口、所述串行通信接口单元、所述输入显示单元和所述电源管理单元连接； 

所述现场可编程门列阵FPGA分别与所述工业以太网EtherCAT总线接口单元、所述电平转换单元和所述电源管理单元连接； 

所述电平转换单元与所述通用输入输出接口单元连接。 

2.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述工业以太网EtherCAT总线接口单元包括用于扩展低压差分信号接口的EtherCAT总线接口和用于扩展光信号接口的EtherCAT总线接口。 

3.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述双核处理器外设接口包括EMAC接口、EMIFA接口、EMIFB接口、SPI接口、USB总线单元、I2C接口、UART接口、MMC/SD/SDIO接口、LCD接口、JTAG接口；其中： 

所述EMAC接口与所述以太网接口单元的网络物理芯片LAN8701A进行网络通讯； 

所述EMIFA接口分别与所述存储单元和所述现场可编程门阵列FPGA互连； 

所述EMIFB接口与所述存储单元互连； 

所述SPI接口与所述存储单元互连； 

所述USB接口的电源通过电源开关电路与USB插座的电源连接，USB接口的数据总线并联ESD保护电路与USB插座的数据接口互连； 

所述I2C接口设有两个，其中一个与所述存储单元互连，另一个与所述输入显示单元中的键盘扩展电路互连； 

所述LCD接口与所述输入显示单元中的LCD接口电路互连； 

所述UART接口，与所述串行通信接口单元互连后，通过所述串行通信接口单元与PC机进行串行通信； 

所述MMC/SD/SDIO接口与所述存储单元互连； 

所述JTAG接口与14pin的JTAG插座互连，通过DSP仿真器与PC机进行通信。 

4.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述存储单元包括并行的DDR 存储器、SPI Flash存储器、SD卡存储器、NAND Flash存储器和EEPROM存储器；其中： 

所述NAND Flash存储器采用三星公司的64M Byte容量的K9F1216U0A； 

所述DDR存储器采用Micron公司的64M Byte容量的MT46H32M16LFBF； 

所述SPI Flash存储器采用Numonyx公司的8M Byte容量的M25P64； 

所述EEPROM存储器采用Microchip公司2K Byte容量的AT24LC16； 

所述SD卡存储器采用通用的4G byte容量的SD卡。 

5.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述现场可编程门列阵FPGA采用Xilinx公司的型号为XC3S500E的FPGA。 

6.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述双核处理器包括集成了浮点型ARM926EJ-S RISC MPU和TMS320C6748浮点DSP的低功耗双核处理器，其型号为OMAP-L138。 

7.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述以太网单元包括以太网控制器，以太网控制器采用SMSC公司的LAN8710A，与其配置的网络变压器采用HR601680，网口采用带网络连接状态指示的RJ45接口。 

8.如权利要求3所述的多功能板卡，其特征在于，所述USB总线单元包括电源开关、ESD保护电路和USB接口； 

所述电源开关串联在所述双核处理器和所述USB接口之间； 

所述ESD保护电路并联在所述双核处理器和所述USB接口之间的连线上。 

9.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述串行通信接口单元包括RS232接口模块；所述串行通信接口单元采用光耦HCPL-0600进行光电隔离、采用MAX232作为RS232收发器。 

10.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述通用输入输出接口单元将80路现场可编程门列阵FPGA和32路双核处理器的IO引脚通过方向控制电平转换单元扩展到背板接口。 

11.如权利要求1所述的多功能板卡，其特征在于，所述电源管理单元包括电源管理芯片I和电源管理芯片II； 

所述电源管理芯片I为双核处理器提供3.3V、1.8V和1.2V电源； 

电源管理芯片II为现场可编程门列阵FPGA提供3.3V、2.5V和1.2V电源。 

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