[发明专利]基于FPGA的带自检校正功能的PCIE数据采集装置及方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的带自检校正功能的PCIE数据采集装置，其特征是，包括模拟信号输入接口、切换开关、DAC数模转换单元、一级滤波单元、差分放大单元、ADC模数转换单元、时钟单元、FPGA单元，所述切换开关与所述模拟信号输入接口连接，所述一级滤波单元与所述切换开关连接，所述差分放大单元与所述一级滤波单元连接，所述ADC模数转换单元与所述差分放大单元连接，所述FPGA单元与所述ADC模数转换单元连接；所述时钟单元分两路输出端，一路与所述ADC模数转换单元连接，另一路与所述FPGA单元连接；所述DAC数模转换单元与所述切换开关连接，所述FPGA单元与所述DAC数模转换单元连接；

所述FPGA单元连接有通信接口、触发信号输入单元和大容量存储单元；

所述数据采集装置还设有隔离电源，所述隔离电源分别与所述差分放大单元、ADC模数转换单元、FPGA单元、时钟单元和通信接口连接；

所述FPGA单元包括触发信号控制单元、采样数据接收单元、数字滤波单元、时钟处理单元、采集控制单元、递推平均滤波单元、自检校正单元、命令接收处理单元、数据通道切换开关、数据读取单元、数据存储单元、PCIE协议转换单元和DDR3协议转换单元；所述数字滤波单元与所述采样数据接收单元连接，所述递推平均滤波单元与所述数字滤波单元连接，所述数据存储单元与所述递推平均滤波单元连接，DDR3协议转换单元与数据存储单元连接，所述触发信号控制单元与所述采样数据接收单元连接，所述采集控制单元分别与所述触发信号控制单元和所述采样数据接收单元连接，所述命令接收处理单元与所述采集控制单元连接，所述PCIE协议转换单元与所述命令接收处理单元连接，所述递推平均滤波单元和所述PCIE协议转换单元之间通过所述数据通道切换开关连接，所述数据通道切换开关和所述DDR3协议转换单元之间通过所述数据读取单元连接，所述自检校正单元与所述递推平均滤波单元连接。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的带自检校正功能的PCIE数据采集装置，其特征在于，所述时钟单元为±0.28ppm稳定度的晶振，所述ADC模数转换单元的采样精度为14位，采样速率为125MHz；所述通信接口为PCIE通信接口，所述大容量存储单元为DDR3存储器。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的带自检校正功能的PCIE数据采集装置，其特征在于，所述数据采集装置为三级滤波，所述一级滤波单元进行一级滤波，所述数字滤波单元进行二级滤波，所述递推平均滤波单元进行三级滤波；

所述数字滤波单元为FIR低通滤波器，其原理算法为：

$y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Σ}}h\left(i\right)x(n-i)$

其中y(n)为输出序列，x(n)为输入序列，h(i)为系数；

所述递推平均滤波单元的原理算法为：

$y_n=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_{n-i}$

其中y_n为第n次采样的滤波输出值，x_n-i为未进行滤波处理的n-i次采样值，N为算数平均数。

4.一种应用权利要求1所述的基于FPGA的带自检校正功能的PCIE数据采集装置的数据采集方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)上电初始化；

(2)所述DAC数模转换单元产生两个电压信号V₁和V₂，经过ADC模数转换单元采集和FPGA单元处理获得V_a1和V_a2，则增益误差系数为△X＝(V_a1-V_a2)/(V₁-V₂)，在进行正常的现场数据采集时，在采集的数值的基础上再乘以上述的增益误差系数之后即为校正之后的现场数据；

(3)DAC数模转换单元产生余弦信号，经过ADC模数转换单元采集，再通过FPGA单元确定基波和谐波频率的幅值，基波幅值为V₂，谐波幅值为V₂至V₉，则谐波失真THD为：

$THD=sqrt\[\left({\mathrm{\Σ}}_{n=2}^9{V_n}^2\right)/{V_1}^2\],$

将该THD值与设定值比较，大于设定值则表示异常；

(4)所述FPGA单元中的采集控制单元接收命令接收处理单元转发的命令数据并配置触发信号控制单元和采样数据接收单元，其中包括触发信号的选择、采集长度的选择、递推平均滤波中累加次数的选择；

(5)所述采样数据接收单元在所述触发信号输入单元发出的触发信号和所述ADC模数转换单元发出的输出数据时钟信号的控制下开始采集现场数据；

(6)所述采样数据接收单元接收到的数据经过所述数字滤波单元和所述递推平均滤波单元进行数字滤波处理；

(7)经过滤波处理之后的数据通过DDR3协议转换单元存储到大容量存储单元中；

(8)所述采样数据接收单元判断采样数据量是否达到主机设定的要求，如果达到就退出采集执行下一步，否则返回到步骤(5)继续采集数据；

(9)本次数据采集结束，所述命令接收处理单元等待主机下发的读取数据的命令，并控制数据通道切换开关开启数据上传的通道，将大容量存储单元存储的数据经过通信接口上传至主机；

(10)所述命令接收处理单元接收主机下发的命令并解析判断是否进行下次采集，若继续采集则返回至步骤(5)，否则退出，采集装置进入空闲等待状态。