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)

　　(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(mǎi)/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(duì)一個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(wú)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(duì)采集過(guò)來(lái)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(guò)RS 232或.RS 485串口完成數(shù)據(jù)的傳輸和人機(jī)對(duì)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(wú)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(cè)。

　　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(cè)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(cè)系統(tǒng)。

　　3 電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 SoPC Builder設(shè)計(jì)

　　對(duì)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(duì)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(cè)SoPC設(shè)計(jì)完成。

　　4 結(jié)果分析

　　電能質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果主要包括電流、電壓的諧波分析數(shù)據(jù)、電功率測(cè)量值數(shù)據(jù)、供電電壓的測(cè)量數(shù)據(jù)、頻率的測(cè)量數(shù)據(jù)、三相不平衡度的測(cè)量數(shù)據(jù)、閃變的測(cè)量數(shù)據(jù)以及誤差分析等。從實(shí)測(cè)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?？梢钥闯觯鏀?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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shì)，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(lái)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(cè)SoPC。