这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了基于STM32 ARM+FPGA的电能质量分析仪方案(一)硬件设计。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。
本章主要给出了本系统的设计目标和硬件设计方案,后面详细介绍了硬件电路的设计
过程,包括数据采集板、
FPGA+ARM
控制板。
3.1系统设计目标
本系统的主要目的是实现电能质量指标的高精度测量和数据分析,其具体技术指标如
下所示:
1.电能质量指标测量精度:
(1) 电压:
±0.3%
额定电压;
(2) 电流:
±0.5%
;
(3) 频率:
±0.01 Hz
;
(4) 三相不平衡度:
±0.2%
;
(5) 谐波分析:
1-17
。
2.能够实时显示电能质量指标和三相电压电流的波形,实现数据共享和良好的人机交
互。
3.能够对电网运行数据进行存储。
3.2系统总体方案
测量系统中控制电路的结构各式各样,有单独的
FPGA
、
ARM
、
DSP
芯片的控制电
路,还有基于
FPGA+ARM
、
DSP+FPGA
、
DSP+ARM+FPGA
等多架构控制电路,本设计选
用
FPGA+ARM
的双处理器模式作为控制电路,
FPGA
的
I/O
口数量多,接收和处理数据的速
度快,具有较强的最短窄脉冲捕获能力,抗干扰能力强,保证了数据采集过程的准确性和
连续性,
FPGA
还具有硬件乘法器,数据处理方式是并行的,为后续
FFT
算法中涉及的大量
的乘积累加和的运算提供保障。
ARM
是一款常用处理器,具有高性能、低功耗等特点,集
成库函数较多,开发方便,而且外设众多,为后面系统功能的扩展提供足够的空间。系统
硬件框图如图
3.1
所示。
由上图可知,硬件电路主要包括数据采集部分、
FPGA+ARM
控制部分、上位机部分。
数据采集板的设计包括电源电路、前端的电压电流互感电路电路、电压跟随电路、基于
AD7606
的模数转换电路;
FPGA+ARM
控制部分主要包括
FPGA
和
ARM
的供电电源电路、
下载电路、串口电路、时钟电路等;上位机显示模块是用
C#
编写的上位机软件。系统的具
体工作过程为:首先将电网三相大电压、电流信号通过电压、电流互感器以及运放构成的
电压跟随电路,把信号调整至
A/D
的输入范围,再由
FPGA
控制模数转换器实现
6
通道信号
的高速同步采样,在
FPGA
内部完成三相锁相环和
FFT
计算模块的设计,并利用
SDRAM
对历
史数据进行存储,
FPGA
和
ARM
通过
FSMC
进行通信;在
ARM
处理器中移植嵌入式实时操
作系统
FreeRTOS
,完成
FPGA
和
ARM
之间数据的读取和写入、
ARM
和上位机之间的串口通
信、以及经浮点运算后得出电能质量的各项参数等线程任务,最后通过在上位机软件中实
时显示和分析各项电能质量指标。
3.3 数据采集模块
3. 3 . 1采样过程
数据采集作为系统的前端电路,直接影响电参数的测量精度、实时显示速度。近年来
数字化采样在电气测量领域得到了广泛的应用,信号采集分为直流采样和交流采样两种:
(
1)直流采样是利用变压器或互感器将交流电压或电流信号的幅值降低,通过整流电
路转化成直流信号再进行采集。缺点主要有:
R-C
滤波回路的时间常数很大,影响实时
性;在测量含有谐波或噪声的信号时具有较大的误差;变送器设备复杂且后期不便于维
护。
(
2)交流采样
[33]
的基本原理是利用电压、电流互感器将被测的交流电压和电流信号进
行隔离、滤波、移相、放大后,利用微处理器对其连续瞬时值进行采样得到离散的时域采
样序列,再通过一些算法对采样值序列进行数值处理以计算出被测量,交流采样省去了复
杂的整流电路,只需简单的滤波和幅值放大衰减的调理电路。由于交流采样对象是信号的
瞬时值,因此其实时性好且相位的失真较小,近年来电子技术飞速发展,
DSP
和高速 A/D
转换芯片为交流采样提供了硬件支持,交流采样正在逐步替代直流采样,成为电气测量领
域的主流采样方式。
3. 3 . 2 AD7606模数转换电路
AD
转换器是整个采集板的核心,其转换速度、分辨率等性能指标的优劣直接影响
最终的测量结果
[34]
。市面上
AD
转换器的种类繁多,不同公司不同系列产品之间性能也
是千差万别。要想对数据进行高精度采集,高精度的模数转换器是必不可少的。
根据通道数量、采样率和同步采样等设计要求,本设计选用
Analog Devices (ADI)
公
司的
8
通道
16
位
AD7606
同步采样芯片,是电力线路测量系统中常用采样芯片之一,采样速
率高达
200kSPS
,支持
±5 V
、
±10 V
双极性信号输入,采用
5 V
单模拟电源供电,内部集成了
2.5
V
基准电压源,提供了过采样和数字滤波功能,数字输出方式根据需要设置为并行输出或串
行 输 出 。 传 统 的 逐 次 逼 近
(SAR)ADC
在 输 入 前 端 都 要 加 一 级 运 算 放 大 器
(Operation
Amplifier)
,才能驱动内置采样电容实现采样,而
AD7606
集成了低噪声、高输入阻抗的信
号调理电路,其具有
1
M
模拟输入阻抗的输入缓冲器,因此,
AD7606
不需要外部驱动电路
和滤波电路,大大简化了前端设计。
AD7606
的硬件连接图如图
3.2
所示。
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-499102.html
3.4 FPGA+ARM控制模块
3.4.1 FPGA的选型
FPGA(Field-programmable Gate Array)
,即现场可编程门阵列,是在可编程器件
PAL
、
GAL
、
CPLD
等的基础上发展而来的,它是专用集成电路(
ASIC
)中的一种半定制电路
[36]
,具有静态可重复编写的功能,用户可以通过软件编程重新配置内部的逻辑模块和
I/O
口,达到改变硬件功能的目的,这样就克服了定制电路不灵活性的缺点,集成度得到了很
大的提升,其特有的并行处理方式极大提高了数据运算速度。近年来微处理器发展迅速,
集成度越来越高,仅用一块
FPGA
芯片及其供电电路、配置电路和时钟电路即可组成数字电
路,外围电路大大减少。由于
FPGA
处理器丰富的可编程资源、并行的数据方式、灵活性强
等优点,使其在实时信号处理、数据传输等领域得到了广泛的应用。目前市场上
FPGA
的
主要厂商有
Xilinx
、
Altera
以及
Actel
等,选择芯片时要根据设计需要的逻辑资源、RAM、工
作频率、速度等级以及管脚数目等,逻辑单元数
(LEs)
、内部集成存储器、硬件乘法器也是
重要选型指标,逻辑单元的数量决定集成度的高低。本设计最终选用
Altera
公司的
Cyclone
Ⅳ系列
EP4CE10F17C8N
,其集成了
256
个可用引脚,
23
个乘法器,
10320
个可编程逻辑
单元,高达
105
个高性能扩展
I/O
口,高达
50M
的有源晶振,能够倍频出多种不同频率的时
钟,完全能够满足该系统的设计需求。
3.4.9 FSMC接口
FSMC(Flexible Static Memory Controller)
可变静态存储控制器,是
STM32
系列处理器
自带的通信总线,
STM32
通过
FSMC
对外部存储器进行直接读写,能够支持多种类型静态存
储器的扩展
[44]
,本设计中将数据线
D
[
15:0
]、地址线
A
[
25:16
]以及其他控制引脚连接
到
FPGA
的
I/O
端口,将
FPGA
看作
STM32F407
的外部
SRAM
,
STM32
通过存储器读
写指令对
FPGA
进行操作,通过扩展出的控制/数据/地址三种总线来完成控制操作。
FSMC
的映射地址空间被划分为
4
个组
(Bank)
,用于连接外部存储器,每个
Bank
有独立的片选信号
和独立的时序配置,
FSMC_NE1
为第一组第一区的片选信号,读写信号接口分别为
FSMC_WR
和
FSMC_RD
,根据设计的数据要求,设计数据位宽
16
位,地址位宽
10
位,接线图如图
3.13
所示。
文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-499102.html
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