2019年C题：线路负载及故障检测装置+828006A - 嘉立创EDA开源硬件平台

一、题目分析

 

1、电阻、电容和电感元件参数测量

 

 

 

       DDS信号来自实验室自制高速AD-DA电路板，利用 DDS 对其施加一个正弦激励信号，通过高速ADC将标准电阻两边的电压信号波形用SPI传输给单片机STM32F407通信，单片机通过fft算法得到其实部和虚部，由于电阻、电容、电感的实部虚部不同，以此可以判断是什么元件，再根据实部虚部计算其值。

 

 

2、负载结构判断

 

       

首先DDS产生0-100khz步进10khz的正弦波，利用高速 ADC 对标准电阻两点进行同步采样，MCU用FFT算法计算出标准电阻两点电压，求出输出比输入的增益，得到幅频特性，通过对幅频特性的分析最终判断负载结构。

结构包含混联在内共有14种情况，我们组只能测10种，剩下的4种太特殊太难区分。

 

 

3、短路断路判断

 

 

      题目要求的导线为网线，其电阻与其长度呈线性关系，因此可以用电流源将导线长度用电压差表示出来，但由于其电阻值非常小，小电流的电流源不能满足，且电流源本身受温漂的影响较大，单独测量导线两端的电压会十分不稳定，因此我们增加了一段标准线圈，将它的电压与待测导线两端的电压作比值，再拟合出短路距离和电压值的函数，即可得到对应的短路点位置。

      断路判断比较简单，直接判断AB两端的电压差是否接近0V即可。

 

 

二、硬件设计思路

总体流程图：

 

 

 

1.电流源

我们采用了TINA-TI中的例程Voltage_to_Current中的500mA Electronic Load方案，以满足题目需求的大电流500mA，使几欧姆的导线电阻能转换成数百毫安级别的电压，便于ADC测量。

 

 

2.继电器和模拟开关

      信号频率不高，继电器无需采用高速继电器，使用普通继电器即可，我们采用了HRAH-S六脚继电器，结构简单，方便控制

 

模拟开关采用CD4053,标准线圈两端电压差连入ax-bx，待测导线两端电压差连入ay-by，通过ao-bo公共输出。

 

 

3.放大器

      由于电流源通过网线内阻产生的电压差较小，并且前级的模拟开关输出为差分信号，因此我们选择INA128低功耗精密仪表放大器将电压差放大5倍，尽可能接近ADS8691的最小量程。

      其增益电阻选择如下表所示：

由于题目发挥部分中需要加入噪声，可在R8R9后下拉一个104电容形成无源低通滤波器。

 

 

4.直流ADC

    由于题目发挥部分要求加入噪声，我们选用了内部自带低通滤波器的ADS8691,此类器件由 5V 模拟单电源供电，但支持 ±12.288V、±6.144V、±10.24V、±5.12V 和 ±2.56V 实际双极输入范围以及 0V 至 12.288V、0V 至 10.24V、0V 至
6.144V 和 0V 至 5.12V 单极输入范围。各输入范围的增益和偏移误差均可在特定数值范围内进行调节，确保直流精度较高。

    通过前级的放大器，将直流电压放大至接近最精确的最小量程0V 至 5.12V。

 

 

5.高速ADDA

用于提供测量元件和结构所需的正弦信号，并采集标准电阻两端信号，考虑到要采集两路的信号，我们选择的都是双通道的ADDA芯片，主控使用FPGA EP4CE6E22C8进行控制。

 

ADC芯片采用ADS5553双通道、14 位、65MSPS，前级通过全差分放大器输入信号。

 

一旦信号被输入捕获，输入样本将通过一系列小分辨率进行顺序转换，并将输出合并到一个数字校正逻辑模块中。 时钟的上升沿和下降沿都用于每半个时钟周期在管道中传播样本。 此过程导致数据延迟为16.5个时钟周期，此后输出数据将以14位并行字的形式提供，并以二进制2的补码格式进行编码。

 

时序图：

 

可根据对应需求的输入信号频率选择前级差分放大器：

 

两个ADC的每一个都提供14的数据，采用二进制补码格式（D13至D0，D13为MSB，D0为LSB），数据就绪信号（CLKOUT）和超范围指示器（OVR） ）等于1，当输出达到满量程极限时。 另外，提供输出使能控制（引脚48和52）以使输出处于三态。

 

参考电路来自ADS5553的datasheet。

芯片手册Dual 14 Bit, 65 MSPS ADC datasheet (ti.com.cn)

 

 

 

DAC芯片采用DAC5672，14-Bit 275 MSPS

 

具有两种由MODE引脚选择的工作模式。

 

 

电路设计参考DAC5672的datasheet:

 

芯片手册：Dual 14 Bit 275 MSPS DAC datasheet (Rev. D) (ti.com.cn)

 

设计电路和驱动时需要注意的问题：

1、需要设计一个供电稳定的电源，因为功率较大，我们的板子用久了FPGA都有点发烫了。

2、ADC输入阻抗匹配、DAC输出阻抗匹配。

3、ADC的采样的频率低的时候，输出的数据一直就是默认的值，因为ADC的输入端口连接着一个电容，所以信号只有频率比较高得时候才能够通过。

4、全差分运放的输出的电压，按道理来说输出的电压应该是以CMA或者是CMB对称的，但是实际上的输出电压最大值接近CMA、CMB，

先来个仿真看看情况

 

全差分运放输出电压和输入电压之间的关系

可以看到ADC的测量的电压

High-level input voltage 2.4V
Low-level input voltage 0.8V

Reference voltage 

REFSEL 参考电压的选择端口
Reference select. 1 → EXT. REF; 0 → INT. REF
拉低了，就是默认输出正电压

内部参考的电压

Reference bottom voltage, VREFM 1.01V
Reference top voltage, VREFP 2.16V

 

使用singTap采样输入信号的波形，刚开始是因为输入信号的频率比较低，

采样的频率又比较高，2K的内存存储的数据不完整，看不出来实际波形。

 

 

 

 

三、软件设计思路

 

 

 

主函数，以1s为周期反复判断情况，短路优先级最高

 

 

测量距离函数，同时判断电压范围，以此判断是否为短路，若不是，返回0以判断其他状态

 

 

判断结构函数，ADC测得的波形进行fft后，对结构类型进行判断。

float z_standard[2],z_standard_module;//标准阻抗 实部+虚部

float RX,CX;//电阻值和电阻的寄生并联电容

 

 

FPGA DAC驱动模块 刷新地址、ROM读取数据、数据输出

 

设置DDS的输出频率

 

 

四、实物功能测试

 

 

 

测短路点：35cm 误差在1cm以内

 

扫频信号由FPGA提供：

 

详细测试见视频，满足题目的基本要求和发挥部分，符合题目说明，无需人工干预，装置能实时自动检测负载变化、故障报警和短路故障点定位。短路故障点位置显示稳定。

 

测试视频：

基础部分：线路负载及故障检测装置 测试视频

发挥部分：线路负载及故障检测装置 发挥部分