基于32位Nios Ⅱ軟核系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要： 在電力系統(tǒng)中,，要實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，必須對電能進(jìn)行高速的采集和處理,，尤其是針對電能質(zhì)量的各次諧波的分析和運(yùn)算,，系統(tǒng)要完成大量運(yùn)算處理工作，同時(shí)系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)和外部系統(tǒng)的通信,、控制,、人機(jī)接口等功能。而電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)大多以微控制器或(與)DSP為核心的軟硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)開發(fā)模式,，存在著處理能力不足,、可靠性差、更新?lián)Q代困難等弊端。本文將SoPC技術(shù)應(yīng)用到電力領(lǐng)域,，在FPGA中嵌入了32位NiosⅡ軟核系統(tǒng),。可實(shí)現(xiàn)對電能信號(hào)的采集,、處理,、存儲(chǔ)與顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求,。
Abstract：
Key words :
在電力系統(tǒng)中,，要實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，必須對電能進(jìn)行高速的采集和處理,，尤其是針對電能質(zhì)量的各次諧波的分析和運(yùn)算,，系統(tǒng)要完成大量運(yùn)算處理工作，同時(shí)系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)和外部系統(tǒng)的通信,、控制,、人機(jī)接口等功能。而電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)大多以微控制器或(與)DSP為核心的軟硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)開發(fā)模式,，存在著處理能力不足,、可靠性差、更新?lián)Q代困難等弊端,。本文將SoPC技術(shù)應(yīng)用到電力領(lǐng)域,，在FPGA中嵌入了32位NiosⅡ軟核系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)對電能信號(hào)的采集,、處理、存儲(chǔ)與顯示等功能,，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求,。
1 系統(tǒng)概述
1．1 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的基本原理
電能質(zhì)量監(jiān)測主要是對電能質(zhì)量各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，其功能流程為：把電網(wǎng)中的電壓,、電流經(jīng)過PT、CT變成-5～+5 V的電壓信號(hào),、1～2 mA的電流信號(hào),，預(yù)處理后進(jìn)行采樣，對采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，處理結(jié)果可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,，也可以通過通信模塊與計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行通信，根據(jù)需要控制且查看處理結(jié)果,。其系統(tǒng)基本原理方框圖如圖1所示,。
1．2 算法介紹
本文在處理諧波數(shù)據(jù)時(shí)，采用基2的DIT方式的FFT算法。傳統(tǒng)的基2算法的蝶形圖中輸入采用的是按碼位顛倒的順序排放的,，輸出是自然順序,。同一位置不同級的蝶形的輸入數(shù)據(jù)的位置不固定，難以實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制,，用FPGA編程時(shí)難以并行實(shí)現(xiàn),，通過對傳統(tǒng)的基2蝶形圖分析，調(diào)整其旋轉(zhuǎn)因子的位置,，使得各級蝶形圖一致,，如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制,。
這種結(jié)構(gòu)的輸入是順序的,，而輸出是位反碼的，每級的旋轉(zhuǎn)因子都是放在FPGA的片內(nèi)ROM里的,。調(diào)整后的旋轉(zhuǎn)因子的尋址有一定規(guī)律,，對于N點(diǎn)的FFT(N=2k，K為級數(shù)),，旋轉(zhuǎn)因子有,，…，,，共N／2個(gè),，將他們按位碼倒序的形式排成一個(gè)含有N／2個(gè)元素的數(shù)組，記為：,，,，則第i級(i=O．1，2,，…,，K-1)的旋轉(zhuǎn)因子排列順序是W(O)，W(1),，W(2),，…，W(2i)重復(fù)2k-i-l次得到的,。其特點(diǎn)是每級的輸入,、輸出數(shù)據(jù)的順序是不變的，因此每級幾何結(jié)構(gòu)是固定的,。用這種結(jié)構(gòu)尋址方便,，易于用FPGA編程，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部并行的FFT硬件結(jié)構(gòu),，從而明顯加快FFT的運(yùn)算速度,。
2 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 A／D轉(zhuǎn)換器
根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù),，如果采用12位分辨率的A／D轉(zhuǎn)換芯片，對15次諧波而言至少會(huì)引起1．67％的誤差,，而在實(shí)際諧波測量中一般測到30次或更多次諧波,，因此現(xiàn)場監(jiān)測單元中A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)保證為14位或14位以上。本文采用AD73360作為采樣系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,。它的六路輸入通道可被分為三對,，以分別對應(yīng)電力系統(tǒng)中的三相。該芯片可以8 kHz,，16 kHz,，32 kHz，64 kHz的采樣速率同時(shí)進(jìn)行六通道的信號(hào)采樣,。AD73360可滿足裝置對高速采樣的要求,。AD73360與FPGA的連接如圖3所示。
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,。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)測系統(tǒng)應(yīng)能隨時(shí)被改進(jìn)升級?？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,。這些資源對一個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(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。
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)測系統(tǒng),。
3 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 SoPC Builder設(shè)計(jì)
對應(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SoPC設(shè)計(jì)完成。
4 結(jié)果分析
電能質(zhì)量檢測結(jié)果主要包括電流,、電壓的諧波分析數(shù)據(jù),、電功率測量值數(shù)據(jù)、供電電壓的測量數(shù)據(jù),、頻率的測量數(shù)據(jù),、三相不平衡度的測量數(shù)據(jù)、閃變的測量數(shù)據(jù)以及誤差分析等,。從實(shí)測數(shù)據(jù)中可以看出,，由于各種非線性電力電子裝置的廣泛使用,，增加了高次諧波的含有量，現(xiàn)以三相電壓的諧波分析數(shù)據(jù)為例,，得到第2～30次諧波的諧波含有率，即第n次諧波有效值與基波有效值的比值,，如柱狀圖5所示,。
圖5中，連續(xù)的三根柱子分別代表A相,、B相,、C相的電壓諧波含有率?？梢钥闯?，奇數(shù)次諧波的諧波含有率明顯比偶數(shù)次諧波含有率高，其中以第3,，5,，7，9,，1l,，13諧波含量最為明顯，且A,，B,，C三相電壓相應(yīng)的諧波含有率差不多，除了B相的第9次和第13次諧波含有率比A相,，C相略高一些,。應(yīng)該盡可能地降低諧波含有量，比如從電源電壓,、線路阻抗,、負(fù)荷特性等方面著手，降低高次諧波含有量,。
本文提出一種基于NiosⅡ的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，可以實(shí)現(xiàn)對電能信號(hào)的采集、處理,、存儲(chǔ)與顯示等功能,，達(dá)到實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。但由于經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)有限,，該系統(tǒng)在某些方面還有待提高,。譬如如何進(jìn)一步減小三相不平衡度、閃變的危害等,。本系統(tǒng)利用了可配置的優(yōu)勢,，有興趣的朋友可以在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的具體需求來進(jìn)行相應(yīng)的填充,、修改、完善,，得到更優(yōu)秀的電能質(zhì)量監(jiān)測SoPC,。
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