基于NiosⅡ的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 NiosⅡ軟核處理器

　　基于32位RISC嵌入式軟核NiosⅡ的SoPC，有著其他SoPC(如基于FPGA嵌入式IP硬核SoPC)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。采用NiosⅡ軟核處理器，用戶將不會(huì)局限于一般的處理器技術(shù)而是根據(jù)自己的標(biāo)準(zhǔn)裁剪和定制處理器，按照需要選擇合適的外設(shè)、存儲(chǔ)器和接口，輕松集成自己專有的功能，比如DSP、用戶邏輯等。這非常有利于設(shè)計(jì)高次諧波這種計(jì)算量大且控制邏輯復(fù)雜的系統(tǒng)。

　　為了滿足今后的性能要求，該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能隨時(shí)被改進(jìn)升級(jí)?？梢约尤攵鄠€(gè)NiosⅡCPU、定制指令集、硬件加速器等，以達(dá)到更好的性能目標(biāo)。還可以通過Avalon交換架構(gòu)調(diào)整系統(tǒng)性能，該架構(gòu)支持多種并行數(shù)據(jù)通道可實(shí)現(xiàn)大吞吐量的應(yīng)用。

　　2.3 硬件系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　圖4是整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)組成主要包括：

　　(1)系統(tǒng)核心模塊采用STRATIX系列的EPlS25型的FPGA，它包含：10個(gè)DSP模塊、25 660個(gè)邏輯單元、48個(gè)嵌入式乘法器、RAM總量高達(dá)1 922 576 b，6個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)、可用的I/O口最多達(dá)到702個(gè)。它是一款采用高性能結(jié)構(gòu)體系的PLD器件，結(jié)合了強(qiáng)大內(nèi)核性能，大存儲(chǔ)器，DSP功能，高速I/O和模塊化設(shè)計(jì)。其內(nèi)嵌的DSP模塊，提供了高于DSP處理器的數(shù)據(jù)處理能力，可以完成較為耗費(fèi)資源的乘法器單元。這些資源對(duì)一個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來說是已經(jīng)綽綽有余。

　　(2)NiosⅡ軟核處理器是整個(gè)系統(tǒng)模塊的CPU，它的具體特性已在前面詳細(xì)敘述。NiosⅡ軟核處理器除了要協(xié)調(diào)控制各個(gè)硬件設(shè)備外，電能參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)的軟件算法也要在此執(zhí)行。

　　(3)Avalon交換式總線由SoPC Buiider自動(dòng)生成，它是一種用于系統(tǒng)CPU和外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線。傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是每次只能有一個(gè)主機(jī)能接入總線，導(dǎo)致帶寬瓶頸。而在Avalon總線結(jié)構(gòu)里，總線主機(jī)不搶占總線本身。Avalon交換結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在外設(shè)與性能最佳數(shù)據(jù)通道之間的無(wú)縫傳輸，并且它同樣支持用戶設(shè)計(jì)的片外處理器和外設(shè)。

　　(4)諧波分析模塊采用內(nèi)嵌的DSP對(duì)采集過來的16位數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，輸入電能計(jì)量指標(biāo)參數(shù)的處理算法程序，將結(jié)果暫存在片內(nèi)存儲(chǔ)器，最后NiosⅡ軟核控制單元通過RS 232或.RS 485串口完成數(shù)據(jù)的傳輸和人機(jī)對(duì)話。諧波是一個(gè)周期性的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。進(jìn)行諧波變換的方法很多，本文采用的是FFT，完成電壓有效值、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、頻率、功率因子和穩(wěn)態(tài)諧波分量等檢測(cè)。

　　以上是本文提出的一個(gè)基于NiosⅡ的基本電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。根據(jù)不同要求，還可以采取往系統(tǒng)核心模塊里添加DMA、自定義模塊等措施，從而形成功能更加完善的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　3 電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 SoPC Builder設(shè)計(jì)

　　對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)，添加NiosⅡProcessor，選擇其為快速型，以確保系統(tǒng)的速度性能。再添加SPI，PIO，Character LCD，F(xiàn)LASH Memory，Avalon Tristate Bridge，SDRAM Controller，On chip Memory，DSP，timer這些模塊。設(shè)置好模塊的各項(xiàng)參數(shù)后，點(diǎn)擊System控件里的兩個(gè)選項(xiàng)為各模塊主動(dòng)分配地址和中斷。然后在NiosⅡMore“CPU”Setting里選Reset Address為FLASH，選Exception AddFess為SDR-AM。最后點(diǎn)擊Generate生成對(duì)應(yīng)的ptf文件。這樣系統(tǒng)的SoPC Bui[der設(shè)計(jì)基本完成。

　　3.2 NiosⅡIDE設(shè)計(jì)

　　進(jìn)入NiosⅡIDE后新建一個(gè)應(yīng)用工程，選擇ptf文件和Black Project，這樣一個(gè)基于已有SoPC的空白應(yīng)用工程建立完畢。然后在System Library里進(jìn)行必要工程設(shè)置。接著將電能參數(shù)算法的C程序填入工程里，再進(jìn)行軟件的編譯調(diào)試等。調(diào)試完畢后，一并將所有程序與可執(zhí)行文件全下載到FPGA上。至此，一個(gè)基于NiosⅡ的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)SoPC設(shè)計(jì)完成。