基于FPGA的發(fā)電機組頻率測量計的實現(xiàn)
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關(guān)鍵詞：FPGA;發(fā)電機組;頻率測量計;VerilogHDL
1 引言
在現(xiàn)代社會中，電資源成為人們生活當(dāng)中不可缺少的一部分，而發(fā)電機和電動機在電力系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。在很多場合，需要對電機組和電網(wǎng)的頻率進(jìn)行測量。目前，頻率測量的電路系統(tǒng)很多，這里介紹一種數(shù)字電路測頻：基于FPGA的發(fā)電機組的頻率測量計。
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以EDA為代表的數(shù)字電路設(shè)計發(fā)生很大變化。在設(shè)計方法上，已經(jīng)從“電路設(shè)計―硬件搭試―焊接”的傳統(tǒng)設(shè)計方式到“功能設(shè)計―軟件模擬―下載調(diào)試”的電子自動化設(shè)計模式。在這種狀況下，以硬件描述語言(Hardware Description Language)和邏輯綜合為基礎(chǔ)的自頂向下的電子設(shè)計方法得到迅速發(fā)展。Verilog HDL語言是目前應(yīng)用最廣泛的硬件描述語言，它是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，語法較為自由靈活、擁有廣泛的學(xué)習(xí)群體、資源比較豐富，且容易學(xué)簡單易懂。本文發(fā)電機組頻率測量計的設(shè)計是在Verilog hdl語言的基礎(chǔ)上展開的，源程序經(jīng)過Altera 公司的QuartusⅡ5.0軟件完成了綜合、仿真(功能仿真和時序仿真)，F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列) 選用的是Cyclone系列的EP1C3T144C6器件。
2 頻率測量電路
2.1頻率測量的總體電路
采用電壓互感器取來自于發(fā)電機組端電壓或電網(wǎng)電壓的測頻輸入信號，經(jīng)削波、濾波處理后，變成幅度基本不變的穩(wěn)定波形，經(jīng)放大電路將信號放大整形，再用電壓比較電路將具有正負(fù)幅值的方波變成只有正幅值的方波信號。然后，通過光電耦合器使FPGA的數(shù)字系統(tǒng)與輸入信號隔離。FPGA數(shù)字系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)的1HZ信號對隔離后的方波信號的脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，得到信號的頻率數(shù)，該頻率數(shù)經(jīng)數(shù)碼管顯示。由于發(fā)電機組的頻率與發(fā)電機組端電壓有關(guān)系，可以從頻率的變化得到發(fā)電機組端電壓的變化。從系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，從中可以看出，該FPGA數(shù)字系統(tǒng)與輸入通道隔離，因而大大提高了系統(tǒng)硬件的抗干擾能力。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
2.2頻率測量的原理
頻率測量的原理是計算每秒鐘待測信號的脈沖個數(shù)，也就是利用標(biāo)準(zhǔn)的1HZ (周期為1s) 脈寬信號對輸入的待測信號的脈沖進(jìn)行計數(shù)，1秒計數(shù)結(jié)束后對采集到脈沖個數(shù)送到數(shù)碼管顯示。
測頻控制器有3個輸入信號：Samplefreq為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號，Reset是復(fù)位控制信號，Start是開始測量信號；3個輸出信號：Endmeasure是結(jié)束測量信號(計數(shù)復(fù)位和轉(zhuǎn)換復(fù)位)，Gate是允許計數(shù)信號(即門控信號)，Enableconvert是開始轉(zhuǎn)換信號。控制流程是先對頻率計復(fù)位，再開始測量，在Samplefreq信號的上升沿，Gate信號使能使計數(shù)器開始工作，到Samplefreq的下一個上升沿，Gate反轉(zhuǎn)成低電平使計數(shù)器停止計數(shù)，同時Enableconvert使轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)(轉(zhuǎn)換時間低于1s)。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，十進(jìn)制數(shù)經(jīng)過7段顯示譯碼器譯碼，然后在數(shù)碼管中顯示所測信號的頻率。由于Enableconvert信號的使用使數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，不會出現(xiàn)閃爍。進(jìn)行下次測量之前要對頻率計進(jìn)行復(fù)位，使數(shù)碼管的數(shù)字顯示清零，為下次顯示做準(zhǔn)備。
本文設(shè)計的數(shù)字頻率計有六個模塊組成：測頻控制模塊(Control)、十分頻模塊(divfreq)、二進(jìn)制計數(shù)器模塊(Counter)、鎖存器模塊(Latch)、二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器模塊(Bit2Bcd)、7段顯示譯碼器模塊(Led_encoder)。
3 頻率測量計的設(shè)計
本次設(shè)計采用Verilog HDL語言，運用自頂向下的設(shè)計理念。將系統(tǒng)按功能按層次化分，首先定義頂層功能模塊，并在頂層功能模塊內(nèi)部的連接關(guān)系和對外的接口關(guān)系進(jìn)行了描述, 而功能塊的邏輯功能和具體實現(xiàn)形式則由下一層模塊來描述。整個設(shè)計分兩步：第一步利用Quartus Ⅱ5.0圖形塊輸入方式設(shè)計頂層模塊，頂層圖形塊如圖2所示；第二步在頂層模塊中為每個圖形塊生成硬件描述語言(Verilog HDL)，然后在生成的Verilog HDL設(shè)計文件中，對低層功能模塊的功能進(jìn)行描述設(shè)計。
圖2 頂層圖形塊
3.1 測頻控制模塊設(shè)計
這是三輸入三輸出模塊，測頻控制模塊波形仿真如圖3所示，如用Verilog HDL描述為：
module Control (clk,reset,start,enableconvert,gate,endmeasure);
input reset,start,clk;
output enableconvert,gate,endmeasure;
reg enableconvert,gate,endmeasure;
always @ (posedge clk or posedge reset)
begin
if (reset)
begin
endmeasure = 1'b1 ;
enableconvert =1'b0 ;
gate = 1'b0 ;
end
else
begin
endmeasure = 1'b0 ;
if (start)
begin
gate = ~gate ;
enableconvert = gate ;
end
end
end
endmodule
圖3 測頻控制器波形仿真時序圖
3.2 二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計
本設(shè)計，需要轉(zhuǎn)換時鐘Convertfreq信號對轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行時序控制，由于要在1s內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，則轉(zhuǎn)換時鐘Convertfreq的頻率應(yīng)該選用高頻頻信號，即轉(zhuǎn)換時鐘Convertfreq的頻率是標(biāo)準(zhǔn)時鐘Samplefreq信號10分頻得到的。
為了對本設(shè)計進(jìn)行波形仿真，取輸入的10位二進(jìn)制數(shù)bin[9..0]為10’b0000011001(十進(jìn)制為25)。圖4為二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器的仿真時序圖：
圖4 二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器的仿真時序圖
4 仿真和調(diào)試
通過上述的描述，從各個模塊獨立的角度對其進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明設(shè)計符合要求。為了保證系統(tǒng)的整體可靠性，對整個系統(tǒng)做了仿真，仿真時序圖如圖5所示：
圖5 系統(tǒng)仿真時序圖
其中，LEDD,LEDC,LEDB,LEDA是譯碼的結(jié)果要在7段數(shù)碼管上顯示，0010010(顯示為2)、0100100(顯示為5)。
將設(shè)計的頻率測量計下載到目標(biāo)芯片EP1C3T144C6中，并在GW48實驗箱上進(jìn)行的模擬仿真，當(dāng)輸入頻率為1 Hz～1023 Hz的信號時，頻率測量計所測的頻率完全準(zhǔn)確，當(dāng)頻率高于1023Hz時，系統(tǒng)報警，同時頻率顯示為0。
5 結(jié)束語
基于FPGA設(shè)計的發(fā)電機組頻率測量計，系統(tǒng)在整體上采用光電耦合器的隔離方式，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具有線路簡單可靠、通用性強、穩(wěn)定度高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于頻率電壓變換器、轉(zhuǎn)速繼電器。
該設(shè)計的FPGA數(shù)字系統(tǒng)部分使用Verilog HDL語言，給出核心程序，并可以通過Verilog HDL語言的綜合工具進(jìn)行相應(yīng)硬件電路的生成，具有傳統(tǒng)邏輯設(shè)計方法所無法比擬的優(yōu)越性。經(jīng)過仿真后，驗證設(shè)計是成功的, 達(dá)到預(yù)期結(jié)果。同時這種方法設(shè)計的數(shù)字電子系統(tǒng)可移植性強、可更改性好。如果需要的頻率測量范圍需要擴大，不需要硬件變化只需改變軟件就可以。
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