用TMS320 DSP和FPGA實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測

　　隨著人們對電能質(zhì)量要求的日益提高，如何保證電能質(zhì)量就成為一個熱門話題。電能質(zhì)量監(jiān)測的一項主要內(nèi)容是諧波檢測，即對多路模擬信號進(jìn)行采集并進(jìn)行諧波分析。本系統(tǒng)對16路50Hz模塊信號進(jìn)行采樣并進(jìn)行64次諧波分析。如果僅僅依靠一個MCU（單片機或控制型DSP）來進(jìn)行處理，往往達(dá)不到實時性要求，所以采用DSP和FPGA相結(jié)合的方法。利用DSP對電力參數(shù)進(jìn)行計算，利用FPGA進(jìn)行諧波分析。

　　系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集電路、ADC模塊、FPGA模塊、DSP模塊及上位機顯示模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1 數(shù)據(jù)采集電路和ADC模塊

　　對經(jīng)過互感器調(diào)理成-3.3～+3.3V（ADC測量的最大量程）的信號進(jìn)行采樣。根據(jù)香農(nóng)抽樣定理，對最高頻率fc的連續(xù)信號進(jìn)行抽樣，須保留其全部內(nèi)容。抽樣頻率fs滿足條件為：fs≥2fc。如圖1系統(tǒng)框圖所示，本系統(tǒng)中，ADC采用的是MAX125，其單通道的轉(zhuǎn)換時間為3μs。若利用內(nèi)部的采樣保持器，可以同時采樣4路信號，轉(zhuǎn)換時間為12μs。為了同時采集已經(jīng)過調(diào)理的16路模擬信號，必須對其進(jìn)行采樣/保持。在前向通道使用16路采樣/保持器（SMP04），再使用多路開關(guān)（MAX306）依次選擇這16路信號，輸入到MAX125的一個通道（CH1A），并由FPGA發(fā)出轉(zhuǎn)換信號CONVST。待轉(zhuǎn)換結(jié)束，MAX125發(fā)出INT中斷，通知FPGA讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果?？傊?，由FPGA中的ADC控制模塊完成對MAX125、MAX306及SMP04的控制以及對MAX125信號的中斷響應(yīng)。

　　2 FPGA模塊

　　FPGA模塊主要完成通信、數(shù)據(jù)采集、ADC模塊的數(shù)據(jù)讀取、保存及底層的信號預(yù)處理計算——諧波分析。FPGA工作流程如圖2所示。其子模塊有：ADC控制模塊、ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)、FFT工作RAM、FFT運算結(jié)果保存區(qū)、開方修改正表、開方運算單元、諧波系數(shù)存放區(qū)以及串行、并行通信控制模塊。

　?。?）ADC控制模塊

　　圖3所示ADC控制模塊除了完成對MAX125、MAX306及SMP04的控制外，還要響應(yīng)MAX125的中斷（INT）來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將其保存到ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)。如圖3所示，為了更準(zhǔn)確地產(chǎn)生控制時序，對系統(tǒng)的采樣周期及相位的鎖定都采取了相應(yīng)的處理。待采樣信號先經(jīng)過方波轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成0～+3.3V的方波信號，再經(jīng)過FPGA中的數(shù)字鎖相環(huán)模塊，根據(jù)外部時鐘和計數(shù)器測量出其周期，作為下一個待采樣信號的采樣周期。這樣就減小了由于待采樣信號頻率的漂移而帶來的采樣周期的誤差。本系統(tǒng)采用的數(shù)字鎖相環(huán)在FPGA中實現(xiàn)，其具體的性能為：鎖相環(huán)的捕捉帶Δfmax=12.5Hz，鎖相頻率為50Hz±12.5Hz=37.5～62.5Hz，隨后產(chǎn)生的采樣周期Ts能夠滿足實際應(yīng)用的要求。同時，根據(jù)多路開關(guān)信號和計數(shù)器，產(chǎn)生ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)地址，保存來自MAX125的14位數(shù)字量。

　　（2）諧波分析模塊

　　本系統(tǒng)中，采用快速傅里葉變換（FFT）進(jìn)行諧波分析，主要因為FFT使N點DFT的乘法計算由N2次減少到(N/2)log2N次。由FFT工作流程圖可知，本系統(tǒng)在分析64次諧波時，整個運算分6級。在第一級蝶形運算中，蝶形運算單元根據(jù)算法控制模塊的控制信號，從ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)取出原始數(shù)據(jù)，從旋轉(zhuǎn)因子ROM中取出旋轉(zhuǎn)因子，進(jìn)行FFT的第一級蝶形運算，并將結(jié)果存入FFT工作RAM。在以后的各級蝶形運算中，蝶形運算單元從FFT工作RAM中取出間數(shù)據(jù)，從旋轉(zhuǎn)因子ROM中取出旋轉(zhuǎn)因子，進(jìn)行運算，直至第六級蝶形運算結(jié)束，并將結(jié)果存放到運算結(jié)果保存區(qū)，以便進(jìn)行各次諧波系數(shù)計算。

　　在進(jìn)行FPGA設(shè)計中，為了節(jié)省器件的內(nèi)部資源，其計算內(nèi)核采用復(fù)用技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，其基本原理如圖4所示。

　　在FFT運算中，一個蝶形運算單元和一組工作RAM被重復(fù)使用，其中最重要的是FFT工作控制邏輯的實現(xiàn)。它主要完成從ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)取出數(shù)據(jù)、向FFT工作RAM中寫入和讀取數(shù)據(jù)以及向FFT結(jié)果存放區(qū)存放結(jié)果等工作。

　　根據(jù)FFT運算的結(jié)果z=dinr+jdini，計算各次諧波的系數(shù)（其中，dinr為結(jié)果的實路，dini為結(jié)果的虛部，。在進(jìn)行開方運算時，若設(shè)計64M×13位長度的存儲器進(jìn)行查表計算，對于現(xiàn)有的可編程邏輯器件來說是很難實現(xiàn)的。因此，本次設(shè)計中采用了修正查表算法：將待開方的數(shù)據(jù)z=(dinr2+dini2)左移m次（m為偶數(shù)），直到其最高兩位不全為0，此時z變?yōu)閦1；取z1的高8位來查表（此時表長為2 8=256個字）得到t1；使用牛頓一次迭代公式t=(t1+z1/t1)/2，對t1進(jìn)行修正得到t；最后將t右移m/2次，得到開方結(jié)果。實驗證明，上述修正后的查表法誤差在允許的范圍內(nèi)，對本系統(tǒng)來說是可行的。

　　在軟件方面，為了提高芯片的性能及資源利用率，采用Quartus II 2.0t Synplify7.1。在Synplify中使用有效的代碼，采取流水線設(shè)計、優(yōu)化組合邏輯及減少邏輯延時等措施來提高整體性能，還進(jìn)行了多個文件的分塊設(shè)計，然后將這些文件映射到頂層文件進(jìn)行綜合，并運行VHDL或者Verilog HDL對單個文件編寫、信真和優(yōu)化。在用到組合邏輯時，Synplify會盡量避免鎖存器的出現(xiàn)，節(jié)省邏輯單元。對于ACEX系列的芯片，它還支持寄存器配平技術(shù)、流水線操作、復(fù)制邏輯模塊及使用LPM函數(shù)等技術(shù)來提高其整體性能。Synplify和其它結(jié)合軟件一樣，編譯后生成的電子設(shè)計交換格式文件（EDIF）可以在MAX+PLUS II或Quartus II 2.0中進(jìn)行編譯、分別引腳和其它優(yōu)化處理。因此，采用Quartus II 2.0和Synplify7.1相結(jié)合，對FPGA進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化及綜合，不僅能提高系統(tǒng)性能，還能提高芯片資源的利用率。

　?。?）通信接口模塊

　　為了靈活地與外界系統(tǒng)進(jìn)行連接，F(xiàn)PGA提供了并行通信和串行通信兩種形式。并行通信可以直接和DSP連接組成電力監(jiān)測和控制系統(tǒng)；串行通信不僅可以方便地和DSP連接，不可以和不具備諧波分析功能的系統(tǒng)組成更加完善的電力監(jiān)測系統(tǒng)。

　　以于并行通信，如系統(tǒng)框圖所示，根據(jù)規(guī)劃好的LF2407擴展I/O空間，由LF2407的高位地址線的邏輯組合來產(chǎn)生FPGA選片信號，低位地址線向LF2407輸出要訪問數(shù)據(jù)的地址，在IS引腳的下降沿，F(xiàn)PGA中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃F2407的數(shù)據(jù)總線。值得注意的是，在編寫FPGA的并行通信模塊時，除了編寫相應(yīng)的控制程序以外，還要利用LF2407的IS引腳來選通FPGA的三態(tài)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，這樣可以避免FPGA與LF2407的數(shù)據(jù)接口影響LF2407的工作。

　　如果利用FPGA進(jìn)行串行通信，則可以完善已有的電力監(jiān)測系統(tǒng)。為了使其能和現(xiàn)有的設(shè)備更好的進(jìn)行連接，還設(shè)計了TMS320LF2407和FPGA之間的串行通信。本系統(tǒng)中，LF2407包含了可以直接利用RS232通信的串行通信接口（SCI）模塊，所以對FPGA編寫串行通信接口模塊時，要保證和LF2407相同的通信格式。本系統(tǒng)在實際設(shè)計中采用的通信格式為：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個奇/校驗位，1個停止位。TMS320LF2407的串口通訊電路如圖5所示。

　　FPGA的UART模塊中，確定相同通信格式的同時，還要確定相同的波特率，并根據(jù)波特率產(chǎn)生發(fā)送、接收時鐘。對于數(shù)據(jù)的發(fā)送，F(xiàn)PGA監(jiān)測txrdy（發(fā)送就緒）信號。如果txrdy=“1”，就從待發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)中取出數(shù)據(jù)寫入UART的數(shù)據(jù)總線，隨后產(chǎn)生一位起始位。然后，利用發(fā)送時鐘觸發(fā)移位寄存器，將待發(fā)送數(shù)據(jù)送到內(nèi)部寄存器，將數(shù)據(jù)依次送到發(fā)送端（TX）。最后，根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的“1”的個數(shù)，加上校驗位和停止位，就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的串行發(fā)送。

　　FPGA的監(jiān)測單元監(jiān)測到RX的下降沿，則啟動接收單元。在采樣時鐘的上升沿對接收信號進(jìn)行采樣，高電平為“1”，低電平為“0”。然后通過移位寄存器，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行的8位數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的接收。

　　3 DSP模塊

　　根據(jù)算法的分配，高層的信號處理量小，但控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合用處理速度較快的DSP來處理。本系統(tǒng)中，DSP主要是根據(jù)FPGA中模擬量的采樣結(jié)果和運算結(jié)果，計算電力參數(shù)以及發(fā)出相應(yīng)的控制信號。如有必要，還可以用液晶來顯示結(jié)果。

　　對于LF2407和FPGA的并行通信，使用LF2407的擴展I/O來讀取FPGA中ADC采樣數(shù)據(jù)保存區(qū)和各次諧波系數(shù)放區(qū)中數(shù)據(jù)。LF2407可以直接使用IN和OUT指令對FPGA進(jìn)行讀寫。

　　對于串行通信，LF2407向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)。只要查詢SCICTL2的7號位，來判斷發(fā)送器是否為高。如果為空，LF2407就可以向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)（命令），控制FPGA的運行。同樣，LF2407采用中斷方式接收從FPGA發(fā)送來的數(shù)據(jù)。LF2407接收中斷的向量地址為INT1（0002H），外圍中斷向量為0006H。

　　4 總結(jié)

　　本系統(tǒng)已完成實驗室樣機制作與調(diào)試，證明設(shè)計正確，可以完成對電力質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測的任務(wù)。在電力監(jiān)測系統(tǒng)中，通過FPGA和DSP相結(jié)合，可使測量更靈活、控制更方便。本系統(tǒng)有選擇地進(jìn)行并行通信或串行通信，使設(shè)計更加靈活多變，有利于系統(tǒng)的擴展，方便與其它電力測控系統(tǒng)直接相邊，而且適于模塊化設(shè)計，提高算法效率，縮短開發(fā)周期。