用TMS320LF2407和FPGA实现电能质量监测
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关键词：电能质量 DSP FPGA FFT UART
随着人们对电能质量要求的日益提高，如何保证电能质量就成为一个热门话题。电能质量监测的一项主要内容是谐波检测，即对多路模拟信号进行采集并进行谐波分析。本系统对16路50Hz模块信号进行采样并进行64次谐波分析。如果仅仅依靠一个MCU（单片机或控制型DSP）来进行处理，往往达不到实时性要求，所以采用DSP和FPGA相结合的方法。利用DSP对电力参数进行计算，利用FPGA进行谐波分析。
系统主要包括数据采集电路、ADC模块、FPGA模块、DSP模块及上位机显示模块，其结构如图1所示。
图1 系统框图
1 数据采集电路和ADC模块
对经过互感器调理成-3.3～+3.3V（ADC测量的最大量程）的信号进行采样。根据香农抽样定理，对最高频率fc的连续信号进行抽样，须保留其全部内容。抽样频率fs满足条件为：fs≥2fc。如图1系统框图所示，本系统中，ADC采用的是MAX125，其单通道的转换时间为3μs。若利用内部的采样保持器，可以同时采样4路信号，转换时间为12μs。为了同时采集已经过调理的16路模拟信号，必须对其进行采样/保持。在前向通道使用16路采样/保持器（SMP04），再使用多路开关（MAX306）依次选择这16路信号，输入到MAX125的一个通道（CH1A），并由FPGA发出转换信号CONVST。待转换结束，MAX125发出INT中断，通知FPGA读取转换结果。总之，由FPGA中的ADC控制模块完成对MAX125、MAX306及SMP04的控制以及对MAX125信号的中断响应。
2 FPGA模块
FPGA模块主要完成通信、数据采集、ADC模块的数据读取、保存及底层的信号预处理计算——谐波分析。FPGA工作流程如图2所示。其子模块有：ADC控制模块、ADC采样数据保存区、FFT工作RAM、FFT运算结果保存区、开方修改正表、开方运算单元、谐波系数存放区以及串行、并行通信控制模块。
图2 FPGA工作流程图
（1）ADC控制模块
图3所示ADC控制模块除了完成对MAX125、MAX306及SMP04的控制外，还要响应MAX125的中断（INT）来读取转换结果，并将其保存到ADC采样数据保存区。如图3所示，为了更准确地产生控制时序，对系统的采样周期及相位的锁定都采取了相应的处理。待采样信号先经过方波转换电路，将其转换成0～+3.3V的方波信号，再经过FPGA中的数字锁相环模块，根据外部时钟和计数器测量出其周期，作为下一个待采样信号的采样周期。这样就减小了由于待采样信号频率的漂移而带来的采样周期的误差。本系统采用的数字锁相环在FPGA中实现，其具体的性能为：锁相环的捕捉带Δfmax=12.5Hz，锁相频率为50Hz±12.5Hz=37.5～62.5Hz，随后产生的采样周期Ts能够满足实际应用的要求。同时，根据多路开关信号和计数器，产生ADC采样数据保存区地址，保存来自MAX125的14位数字量。
（2）谐波分析模块
本系统中，采用快速傅里叶变换（FFT）进行谐波分析，主要因为FFT使N点DFT的乘法计算由N2次减少到(N/2)log2N次。由FFT工作流程图可知，本系统在分析64次谐波时，整个运算分6级。在第一级蝶形运算中，蝶形运算单元根据算法控制模块的控制信号，从ADC采样数据保存区取出原始数据，从旋转因子ROM中取出旋转因子，进行FFT的第一级蝶形运算，并将结果存入FFT工作RAM。在以后的各级蝶形运算中，蝶形运算单元从FFT工作RAM中取出间数据，从旋转因子ROM中取出旋转因子，进行运算，直至第六级蝶形运算结束，并将结果存放到运算结果保存区，以便进行各次谐波系数计算。
在进行FPGA设计中，为了节省器件的内部资源，其计算内核采用复用技术进行设计，其基本原理如图4所示。
在FFT运算中，一个蝶形运算单元和一组工作RAM被重复使用，其中最重要的是FFT工作控制逻辑的实现。它主要完成从ADC采样数据保存区取出数据、向FFT工作RAM中写入和读取数据以及向FFT结果存放区存放结果等工作。
根据FFT运算的结果z=dinr+jdini，计算各次谐波的系数
（其中，dinr为结果的实路，dini为结果的虚部，
。在进行开方运算时，若设计64M×13位长度的存储器进行查表计算，对于现有的可编程逻辑器件来说是很难实现的。因此，本次设计中采用了修正查表算法：将待开方的数据z=(dinr2+dini2)左移m次（m为偶数），直到其最高两位不全为0，此时z变为z1；取z1的高8位来查表（此时表长为2 8=256个字）得到t1；使用牛顿一次迭代公式t=(t1+z1/t1)/2，对t1进行修正得到t；最后将t右移m/2次，得到开方结果。实验证明，上述修正后的查表法误差在允许的范围内，对本系统来说是可行的。
在软件方面，为了提高芯片的性能及资源利用率，采用Quartus II 2.0t Synplify7.1。在Synplify中使用有效的代码，采取流水线设计、优化组合逻辑及减少逻辑延时等措施来提高整体性能，还进行了多个文件的分块设计，然后将这些文件映射到顶层文件进行综合，并运行VHDL或者Verilog HDL对单个文件编写、信真和优化。在用到组合逻辑时，Synplify会尽量避免锁存器的出现，节省逻辑单元。对于ACEX系列的芯片，
它还支持寄存器配平技术、流水线操作、复制逻辑模块及使用LPM函数等技术来提高其整体性能。Synplify和其它结合软件一样，编译后生成的电子设计交换格式文件（EDIF）可以在MAX+PLUS II或Quartus II 2.0中进行编译、分别引脚和其它优化处理。因此，采用Quartus II 2.0和Synplify7.1相结合，对FPGA进行设计、优化及综合，不仅能提高系统性能，还能提高芯片资源的利用率。
（3）通信接口模块
为了灵活地与外界系统进行连接，FPGA提供了并行通信和串行通信两种形式。并行通信可以直接和DSP连接组成电力监测和控制系统；串行通信不仅可以方便地和DSP连接，不可以和不具备谐波分析功能的系统组成更加完善的电力监测系统。
以于并行通信，如系统框图所示，根据规划好的LF2407扩展I/O空间，由LF2407的高位地址线的逻辑组合来产生FPGA选片信号，低位地址线向LF2407输出要访问数据的地址，在IS引脚的下降沿，FPGA中的数据传输到LF2407的数据总线。值得注意的是，在编写FPGA的并行通信模块时，除了编写相应的控制程序以外，还要利用LF2407的IS引脚来选通FPGA的三态总线进行数据输出，这样可以避免FPGA与LF2407的数据接口影响LF2407的工作。
如果利用FPGA进行串行通信，则可以完善已有的电力监测系统。为了使其能和现有的设备更好的进行连接，还设计了TMS320LF2407和FPGA之间的串行通信。本系统中，LF2407包含了可以直接利用RS232通信的串行通信接口（SCI）模块，所以对FPGA编写串行通信接口模块时，要保证和LF2407相同的通信格式。本系统在实际设计中采用的通信格式为：1个起始位，8个数据位，1个奇/校验位，1个停止位。TMS320LF2407的串口通讯电路如图5所示。
FPGA的UART模块中，确定相同通信格式的同时，还要确定相同的波特率，并根据波特率产生发送、接收时钟。对于数据的发送，FPGA监测txrdy（发送就绪）信号。如果txrdy=“1”，就从待发送数据区中取出数据写入UART的数据总线，随后产生一位起始位。然后，利用发送时钟触发移位寄存器，将待发送数据送到内部寄存器，将数据依次送到发送端（TX）。最后，根据发送数据的“1”的个数，加上校验位和停止位，就实现了数据的串行发送。
FPGA的监测单元监测到RX的下降沿，则启动接收单元。在采样时钟的上升沿对接收信号进行采样，高电平为“1”，低电平为“0”。然后通过移位寄存器，将串行数据转换成并行的8位数据，完成数据的接收。
图5 串口通信电路图
3 DSP模块
根据算法的分配，高层的信号处理量小，但控制结构复杂，适合用处理速度较快的DSP来处理。本系统中，DSP主要是根据FPGA中模拟量的采样结果和运算结果，计算电力参数以及发出相应的控制信号。如有必要，还可以用液晶来显示结果。
对于LF2407和FPGA的并行通信，使用LF2407的扩展I/O来读取FPGA中ADC采样数据保存区和各次谐波系数放区中数据。LF2407可以直接使用IN和OUT指令对FPGA进行读写。
对于串行通信，LF2407向FPGA发送数据。只要查询SCICTL2的7号位，来判断发送器是否为高。如果为空，LF2407就可以向FPGA发送数据（命令），控制FPGA的运行。同样，LF2407采用中断方式接收从FPGA发送来的数据。LF2407接收中断的向量地址为INT1（0002H），外围中断向量为0006H。
4 总结
本系统已完成实验室样机制作与调试，证明设计正确，可以完成对电力质量进行监测的任务。在电力监测系统中，通过FPGA和DSP相结合，可使测量更灵活、控制更方便。本系统有选择地进行并行通信或串行通信，使设计更加灵活多变，有利于系统的扩展，方便与其它电力测控系统直接相边，而且适于模块化设计，提高算法效率，缩短开发周期。
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