基于lvds和spi總線的長距離ad采樣電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力保護裝置中CPU控制AD芯片實現(xiàn)數(shù)字采樣的電路設計，尤其是CPU對其所處PCB板外的，或者板上較遠距離的，AD采樣芯片的長距離控制和采樣的電路設計。
技術背景
[0002]在電力系統(tǒng)自動化領域，數(shù)字式保護和自動化控制裝置主要用來進行電力線路、斷路器、變壓器等電力設施的保護監(jiān)測和電網(wǎng)穩(wěn)定運行控制，是一種以單片機、微控制器、或微處理器為核心處理單元，以及AD采樣芯片、內(nèi)存等其他一系列外圍電子元器件設計的嵌入式計算機系統(tǒng)。經(jīng)過多年的開發(fā)和應用，這些裝置的設計越來越要求其低成本和集成度，而保護的目標或范圍又不斷在增加。傳統(tǒng)上，保護和自動化裝置的設計，針對保護、通訊、交流采樣等功能，采用多CPU插件設計思路，交流量的AD采樣芯片基本與CPU在一塊PCB板上。在高等級電壓保護裝置中，往往一臺裝置只進行一個電氣間隔的保護。即便是后來的簡化設計，依然保留著通訊PCB板和保護PCB板，保留著保護板的CPU與AD芯片在一個PCB板上的設計。雖然集成化有所提高，成本有所降低，所用CPU數(shù)量依舊較多，保護的線路或范圍依舊較少，面對更加激烈的市場競爭，還需設計成本更低、集成化更高、更加緊湊的保護裝置。
[0003]分析現(xiàn)有自動化裝置成本高、帶點數(shù)量低、集成化低的一個主要原因是:一方面，(PU使用數(shù)量過多，在目前的CPU能力下，保護、通訊等功能繼續(xù)分開已經(jīng)落后，CPU過多也導致裝置PCB插件也較多。另一方面，交流量AD采樣芯片和保護CPU布置在一個PCB板上，裝置背板PCB尺寸在不能變的限制下無法布更多地交流連線，因此無法接入更多交流待測量，也無法將保護CPU省掉，影響了裝置功能的集成度。解決它的一個有效辦法是:將CPU與AD采樣芯片分離，實現(xiàn)CPU板間或較長距離的AD芯片采樣控制，進而實現(xiàn)保護和通訊CPU合一。這樣做既節(jié)省掉一片CPU，提高了功能的集成度，又可靈活擴展AD采樣板以提高系統(tǒng)的帶測控點能力和保護范圍。
[0004]但AD芯片與CPU分離，且板間或板上較長距離布置時，并行總線存在布線占據(jù)PCB空間大和布線長度短的問題，因此必須采用串行通訊技術。目前AD芯片除提供并行總線接口之外，主要還提供了 SPI串行通訊接口，為CPU在PCB板上采用SPI串行總線實現(xiàn)AD芯片采樣控制提供了途徑，改善了并行總線存在的問題。但是SPI總線主要作為PCB板上稍長距離的通信，在做板間或者板上長距離通信時，通訊速率難以滿足采樣要求。而LVDS總線技術是一種串行的物理鏈路技術，它可實現(xiàn)500Mbps以上的遠距離板間傳輸。如果能將SPI總線邏輯信號電平通過采用LVDS總線加以轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)在LVDS總線上數(shù)據(jù)傳輸，那么CPU就可以采用SPI總線實現(xiàn)對板間或板上長距離的AD采樣芯片的直接采樣控制和直接采樣數(shù)據(jù)讀取操作，進而實現(xiàn)AD芯片與CPU在PCB板上的分離。而這就是本發(fā)明的產(chǎn)生背景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:研宄開發(fā)一種基于LVDS和SPI總線的長距離AD采樣電路，可使CPU采用SPI方式跨過兩個PCB板間或一個PCB板上長距離的，直接的操作AD采樣芯片實現(xiàn)采樣控制和采樣數(shù)據(jù)讀取，進而實現(xiàn)AD芯片與CPU在PCB板上的分離。
[0006]本發(fā)明的內(nèi)容是:在CPU板的SPI總線接口和AD采樣芯片所處的PCB板上的SPI總線接口之間，設計了一種SPI總線和LVDS總線電氣信號可相互轉(zhuǎn)換和連接的電路，將它們在兩個PCB板間，或者同一個PCB板上長距離的連接。而在該電路的兩端，CPU和AD芯片采用SPI方式與該電路直接連接。該電路具體的轉(zhuǎn)換電氣信號包括，通過SPI總線邏輯信號電平到LVDS總線電平轉(zhuǎn)換，和LVDS總線電平轉(zhuǎn)換到SPI總線邏輯信號電平的轉(zhuǎn)換兩部分。
[0007]優(yōu)選的，LVDS總線速度可達20Mbps，其連接距離大于500mm ；
[0008]優(yōu)選的，LVDS總線速度可達10Mbps，其連接距離大于100mm ；
[0009]與現(xiàn)有技術比較，將AD芯片與CPU所處的PCB板分離后，帶來以下優(yōu)點:
[0010]I)節(jié)省了一塊專門負責AD采樣控制的CPU，降低了裝置成本。
[0011]2)增強了 AD采樣電路布置靈活性，避免了模擬量過多的集中在CPU板上，相反可以均勻分散布置在裝置其它位置，實現(xiàn)了更多采樣點的接入。
[0012]3)將負責AD采樣的CPU省掉后，其功能整合將整合到其他CPU，從提高了裝置的緊湊性和集成化。
【附圖說明】
[0013]圖1表示根據(jù)本發(fā)明的基于LVDS和SPI總線的長距離AD采樣電路框圖；
[0014]圖2表示根據(jù)本發(fā)明的基于LVDS和簡化SPI總線的長距離AD采樣電路框圖；
[0015]圖3表示根據(jù)本發(fā)明的AD采樣的SPI總線信號和LVDS總線信號轉(zhuǎn)換框圖；
【具體實施方式】
[0016]參閱圖1至圖3，基于LVDS和SPI總線的長距離AD采樣電路具體實施如下:
[0017]I) CPU的SPI總線CS信號接入LVDSl的DI管腳，AD的SPI總線CS信號接入LVDSl的RO管腳，LVDSl和LVDS2驅(qū)動芯片遵照LVDS總線電氣規(guī)范互聯(lián)。
[0018]2) CPU的SPI總線SCLK信號接入LVDS3的DI管腳，AD的SPI總線SCLK信號接入LVDS4的RO管腳，LVDS3和LVDS4驅(qū)動芯片遵照LVDS總線電氣規(guī)范互聯(lián)。
[0019]3) CPU的SPI總線SDO和SDI信號依次接入LVDS5的DI和RO管腳，AD的SPI總線SDI和SDO信號依次接入LVDS5的RO和DI管腳，LVDS5和LVDS6驅(qū)動芯片遵照LVDS總線電氣規(guī)范互聯(lián)。
[0020]4)LVDS1、LVDS2、LVDS3、LVDS4 是標準的半雙工 LVDS 總線驅(qū)動器，LVDS5、LVDS6 標準的全雙工LVDS總線驅(qū)動器。
[0021]該方式下，SPI總線規(guī)范的CS、SCLK、SD1、SD0信號線全部通過LVDS總線進行轉(zhuǎn)換和連接，因此實現(xiàn)了一種完全意義的SPI總線AD采樣電路，適用于AD芯片既可以讀，也需要配置或?qū)懖僮鞯膱龊稀?br>[0022]參閱圖2，基于LVDS和簡化SPI總線的長距離AD采樣電路具體實施如下:
[0023]I) CPU的SPI總線SCLK信號接入LVDSl的DI管腳，AD的SPI總線SDO信號接入LVDSl的RO管腳。
[0024]2) CPU的SPI總線SDI信號接入LVDSl的RO管腳，AD的SPI總線SCLK信號接入LVDS2的DI管腳。
[0025]3) CPU的SPI總線CS和SDO信號接入管腳不連接，CPU的SPI總線CS通過電阻接地，SDI信號接入管腳不連接。
[0026]4) LVDSl和LVDS2驅(qū)動芯片遵照LVDS總線電氣規(guī)范互聯(lián)，是標準的全雙工LVDS總線驅(qū)動器。
[0027]該方式下，僅對SPI總線規(guī)范的SCLK、SDI信號線通過LVDS總線進行轉(zhuǎn)換和連接，因此實現(xiàn)了一種簡化的SPI總線AD采樣電路，適用于AD芯片僅要求讀，不需要配置或?qū)懖僮鞯膱龊稀?br>[0028]請參閱圖3，AD采樣的SPI總線信號和LVDS總線信號轉(zhuǎn)換過程具體如下:
[0029]DCPU的SPI發(fā)出的SCLK信號是SPI的時鐘信號，輸入到LVDSl的DI管腳后，被LVDSl轉(zhuǎn)換成LVDS差分信號向LVDS2傳輸。該信號傳輸?shù)絃VDS2后再一次轉(zhuǎn)換為SPI的時鐘信號，并從RO管腳輸出到AD的SPI的SCLK管腳，最后在該時鐘驅(qū)動下，AD芯片將采樣后的數(shù)據(jù)在SDO端向外輸出。
[0030]2) AD的SPI發(fā)出的SDO信號是采樣后的數(shù)據(jù)，輸入到LVDS2的DI管腳后，被LVDS2轉(zhuǎn)換成LVDS差分信號向LVDSl傳輸，該信號傳輸?shù)絃VDSl后再一次轉(zhuǎn)換為SPI的數(shù)據(jù)信號，并從RO管腳輸出到CPU的SPI的SDI管腳，最后CPU完成該數(shù)據(jù)的讀取。
[0031]由此看出，通過LVDS和SPI轉(zhuǎn)換電路，CPU實現(xiàn)了 SPI方式下直接操作AD芯片，進而實現(xiàn)采樣的目的。借助于LVDS總線的高速遠距離傳輸能力，CPU通過該電路實現(xiàn)了板間或板上長距離的串行AD采樣，達到了本發(fā)明目的。
【主權項】
1.一種基于LVDS和SPI總線的長距離AD采樣電路，具體如下: CPU板上SPI總線接口和AD采樣芯片所處PCB板上的SPI總線接口之間，連接可PCB板間或板上長距離高速數(shù)字通訊的LVDS總線及轉(zhuǎn)換電路，所構成的長距離的直接AD采樣電路； 其特征在于: 在于部分(I)中，將置于兩個PCB上，或同一個PCB上長距離的兩個SPI總線接口，通過能進行LVDS總線信號和SPI電氣信號互相轉(zhuǎn)換的電路給予連接，使得CPU可采用SPI方式跨過兩個PCB板間或一個PCB板上長距離的，CPU直接操作AD采樣芯片實現(xiàn)采樣控制和采樣數(shù)據(jù)讀取。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于LVDS和SPI總線的長距離AD采樣電路。即通過在CPU所處印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)上的SPI總線接口和AD采樣芯片所處PCB板上的SPI總線接口之間，連接可PCB板間或板上長距離高速數(shù)字通訊的LVDS總線電路，使CPU能對板外或板上長距離的AD采樣芯片實現(xiàn)直接采樣控制和數(shù)字通信，從而節(jié)省了在AD采樣板上另需設置的CPU芯片。該設計使電力自動化保護裝置成本降低、集成度增高，達到了本發(fā)明的目的。通過在低成本配電自動化保護產(chǎn)品的實際應用，也證明了該電路的可行和可靠性、采樣速度的實時和高速性。
【IPC分類】H03M1-54
【公開號】CN104796150
【申請?zhí)枴緾N201510055890
【發(fā)明人】朱磊, 楊天林, 張濤, 張自民, 杜永杰, 周志豐
【申請人】北京科銳配電自動化股份有限公司
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年2月3日