基于32位NiosⅡ軟核系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在電力系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，必須對(duì)電能進(jìn)行高速的采集和處理，尤其是針對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)系統(tǒng)的基本原理

　　電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要是對(duì)電能質(zhì)量各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)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(jí)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(duì)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(jí)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(jí)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(duì)于N點(diǎn)的FFT(N=2k，K為級(jí)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(jí)(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(jí)的輸入、輸出數(shù)據(jù)的順序是不變的，因此每級(jí)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(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 A/D轉(zhuǎn)換器

　　根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如果采用12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)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(cè)量中一般測(cè)到30次或更多次諧波，因此現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(duì)，以分別對(duì)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(duì)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(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：