基于FPGA的電力系統諧波測量系統設計

諧波是電力系統的一大公害，消除諧波污染，把諧波含量控制在允許范圍內，已經成為主管部門和用電單位的共同奮斗目標。而要消除電網中的諧波，首先就要對諧波進行準確測量，諧波測量工作已經越來越引起人們的關注［1］。A/D轉換電路是電力系統諧波測量中必不可少的一個重要環節，是電力系統諧波測量系統前端的核心。

FPGA因具有強大的邏輯控制能力、高速的運算能力、靈活的可編程性，已經越來越多的被用于各種數字系統。在FPGA內部一般都內嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模塊。用FPGA模塊來實現數字信號處理可以很好地解決并行和順序性的矛盾，直至速度問題，而且其靈活的可配置性，使得FPGA構成的DSP系統非常易于修改，易于測試及硬件升級。在QuartusII開發軟件中用Verilog HDL硬件描述語言能夠很容易進行邏輯電路設計，并且在FPGA中可以實現用硬件進行配置，可有效降低軟件運行時間和軟件設計復雜程度［2］。因此，FPGA非常適合在電力系統諧波測量系統中作為核心器件。

本文中采樣電路選用AD73360，在QuartusII中用Verilog HDL硬件描述語言實現了AD73360及VGA與FPGA的接口設計，最后通過實驗驗證了設計的正確性。

1 系統總體方案

系統以Altera公司的DE2開發板為平臺，系統框圖如圖1所示。信號采集單元核心器件為電壓、電流互感器?；ジ衅鲗⒋郎y高壓、大電流信號線性轉換為合適的微弱電壓信號，該微弱電壓信號經信號調理電路放大為合適的電壓信號，經低通濾波電路濾除高于2 500 Hz的高頻噪聲，然后送到A/D轉換單元進行A/D轉換，轉換后形成數字信號存儲到存儲器中，再送到FFT處理單元進行快速傅里葉變換，變換后得到的數據再儲存到存儲器中，再進行一系列相關運算，如：諧波電壓含有量、諧波電流含有量、各次諧波電壓含有率、各次諧波電流含有率等，最后經VGA進行顯示出波形和相關數據。

2 AD73360的配置［3］

2.1 A/D電路設計

A/D電路如圖2所示。A/D電路可分為以下三個部分。

（1）電源部分。AD73360有5 V和3 V兩種工作模式，為了能夠與FPGA實現直接連接，采用3 V供電（FPGA接口電平為3.3 V左右），這樣無需外加電平轉換電路，可以簡化電路設計、降低系統功耗、節約成本。

（2）模擬輸入部分。AD73360有6個通道，每個通道又分為正端VINP和負端VINN，每個通道都可以由AD73360內部控制寄存器配置為差分輸入和單端輸入兩種方式，本設計采用單端交流耦合輸入方式。

（3）與FPGA接口部分。AD73360采用六線制串行接口，能很方便與外部電路實現接口連接，為了實現AD73360與FPGA的連接，就需要在FPGA中設計一個控制器，在Quartus II中設計的A/D控制器AD_controller如圖3所示。

2.2 AD73360的配置

AD73360為可編程A/D轉換器，每次啟動系統都要對其進行配置。對AD73360的配置有兩種方式，一種方法是用程序來實現，另外一種方法是利用FPGA具有很強的邏輯控制能力，用硬件實現對AD73360的配置，后者雖然會占用一些硬件資源，但是這樣可以大大簡化系統程序設計，節約軟件運行時間，因此本設計采用后者。系統上電或者手動復位后，AD73360被復位，在復位狀態下，AD73360的八個控制字寄存器被初始化為00H，同時AD_controller也被復位到初始狀態，SE被置1，從而AD73360串口進入工作狀態。當復位信號變為高時，AD73360進入編程模式，該模式下，AD73360數字端接口時序如圖4所示。在編程模式下，AD73360的SDOFS引腳以主時鐘頻率的1/2048的頻率產生輸出數據標志信號，當控制寄存器被正確配置后，將產生與設定采樣頻率同頻的SDOFS標志信號，每個輸出標志信號以后SDO引腳將連續輸出16位隨機數據，這時候的數據是隨機產生的，不是有效的A/D轉換數據。與此同時，在SCLK時鐘的下降沿，若SDIFS標志位有效，則AD73360于下一個SCLK下降沿開始讀取SDI引腳數據，并存到AD73360中的串行寄存器。

撤銷復位信號后，AD_controller開始對AD73360進行配置，配置過程如圖4所示。系統復位后標志信號GO被置1，經過三個SCLK時鐘周期后GO被置0，此時把第一個配置數據賦給SD，標志信號GO保持一個SCLK時鐘周期后，又被置1。當標志信號GO=0時，AD_controller進入下一狀態檢測SDOFS，當檢測到SDOFS由1變為0時，進入寫數據狀態，從SD最高位開始由高到低逐位往SDI端口寫數據，每個SCLK時鐘周期寫一位，直到寫完16位數據，AD73360根據這16位數據的前8位數據針對把后8位數據寫入相應AD73360的相應控制寄存器，寫完16位數據后，系統把SDIFS引腳設為高阻狀態，并產生一個SCLK周期的END（對END置1）信號，作為一個控制字配置完成的標志。系統檢測到END標志信號后，在未對所有控制字進行有效配置的情況下，把下一個控制字賦給PDATA，并產生一個SCLK周期的GO（把GO置0）標志信號，系統檢測到GO標志信號后，再檢測SDOFS，在SDOFS為1的下一個SCLK開始通過SDI端口向AD73360寫下一個控制字，直到8個控制字都被寫入AD73360，配置完成后，AD73360進入數據模式，開始進行A/D轉換。完成配置任務后AD_controller結束配置狀態，把SDI設為高阻狀態，并開始接收SDO引腳的數據，并把接收到的串行數據轉換成16位并行數據［4］。

在QuartusII開發工具中，用Verilog HDL語言完成了對AD73360的配置，并進行了功能仿真，功能仿真結果如圖5所示。

3 VGA顯示

VGA（Video Graphics Array）是IBM在1987年隨PS/2機一起推出的一種視頻傳輸標準，具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的應用。隨著電子技術的發展，VGA接口出現在很多嵌入式平臺上，用于圖像信息的實時顯示等。Altera公司提供的DE2開發板上有一個VGA接口，極大地方便了利用VGA實時顯示。

3.1 VGA顯示原理及時序

通用VGA顯示卡系統主要由控制電路、顯示緩存區和視頻BIOS程序三個部分組成?？刂齐娐分饕瓿蓵r序發生、顯示緩沖區數據操作、主時鐘選擇和D／A轉換等功能；顯示緩沖區提供顯示數據緩存空間；視頻BIOS作為控制程序固化在顯示卡的ROM中。VGA接口為顯示器提供兩類信號，一類是數據信號，一類是控制信號。數據信號包括紅、綠、藍信號，簡稱RGB信號，控制信號包括水平同步信號和垂直同步信號。輸出不同分辨率時，水平同步信號和垂直同步信號的頻率也不同。

要實現VGA顯示就要解決數據來源、數據存儲、時序實現等問題，其中關鍵還是如何實現VGA時序。VGA的標準參考顯示時序如圖6所示。行時序和幀時序都需要產生同步脈沖、顯示后沿、顯示時序段和顯示前沿四個部分。幾種常用模式的時序參數如表1所示。

本系統集成了前端采集、中間處理和后續顯示功能模塊，充分利用了FPGA的邏輯資源和NiosII處理器的強大功能，較好地實現了預期目標。與同類系統相比，具有開發時間短、程序可移植性強和成本低等優勢。該系統作為電力系統諧波分析系統的一部分，在數據采集及預處理方面已經取得較好的效果，后期將進一步研究基于FPGA內部邏輯結構的FFT實用算法。