（电子科学与技术专业论文）基于fpga的三相电参数采集器的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h et h r e e - p h a s ee l e c t r i c a l p a r a m e t e r sa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nf p g a b y l u oq i w u b e ( n a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s et e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl if u h a i a p r i l ，2 0 11 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 噘丢兹 l e l 期：如，年厂月矽e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：莎r f 年厂月知e 1 日期：p ，j 年i - 月妒e l 基于f p g a 的三相电参数采集器的研究与实现 摘要 随着科学技术的发展和社会的进步，数据实时采集和通信成为实现 人们沟通最为普遍和有效的环节，电能量参数的实时采集和传输更是电 力系统最为关键的环节，复杂的电磁环境，波动的电网特性，对此环节提出 更高的要求。现场可编程逻辑门阵列因其大容量的逻辑门数、软核技术、 自主知识产权核的灵活定制的支撑，不仅增强了其数据处理能力，而且 提高了其嵌入式应用能力，满足数据采集与处理系统实时处理、高可靠 性的设计要求，灵活地运用s o p c 技术，将设计分解成独立模块，可大 幅度缩短产品研发周期。 论文较为深入的调研了目前国际和国内三相电参数实时采集与处理 的前沿动态和发展状况，结合课题的需求分析，设计出其系统构架。按 照电网行业相关标准定位本课题的预定指标，研究并实现了一种基于 f p g a 的实时三相电参数采集、处理及远程传输系统的硬件方案和配套软 件算法，以替代传统的“d s p + a s i c ”架构。 进一步分析系统的项目需求及相应的参数指标；利用片上软核处理器 和s o p c 技术的优点，在单片f p g a 内部实现系统硬件电路及软件平台的 搭建；采用模块化的开发流程，实现系统本身和外界通信的各功能模块， 确定了系统及其各核心模块的技术框架。 系统硬件方案分数据采集、电源、数据缓存、数据非易失存储以及 数据传输等模块进行设计并测试，并对以上核心模块的硬件电路和驱动 程序做了较为深入的探讨，最终将本文设计的硬件方案予以实现，提供 了相应的测试数据。并依托此三相电参数采集器，设计和实现了一种三 相电能表现场校验仪，测试指标达到预定指标。 实现的三相电参数采集器充分发挥m i c r o b l a z e 软核处理器及s o p c 技术的优势，简化了电路设计，缩短了系统开发周期，提高了设计效率； 利用f p g a 的可编程特性和模块化设计，使得系统的电路设计及其算法 具有良好的可移植性和可重构性，便于系统的扩展和升级，增强了系统 的灵活性和完整性。该系统开发成本低，集成度高，具有较强可重构性。 关键词：电参数采集；现场可编程门阵列：电能表现场检验；以太网传 输；自主知识产权核 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ep r o g r e s so f t h es o c i e t y ，t h er e a l - t i m e d a t aa c q u i s i t i o na n dc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m e t h em o s tc o m m o na n de f f e c t i v el i n k s t h er e a l - t i m ep o w e rp a r a m e t e r a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o na r et h em o s tk e yl i n k si nt h ep o w e rs y s t e m t h ec o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ta n dt h ef l u c t u a t i o no f g r i d f e a t u r e sp u tf o r w a r dh i g hr e q u i r e m e n t sf o rt h o s el i n k s t h eh i g h - c a p a c i t y l o g i cg a t e s ，s o f tc o r ea n df l e x i b l ec o m m i s s i o no fi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e n o to n l ye n h a n c e dt h ef p g a sa b i l i t yf o rd a t ap r o c e s s i n g ，b u ta l s oi n c r e a s e i t sa b i l i t yf o re m b e d d e da p p l i c a t i o n i tc a ns a t i s f yt h en e e df o rh i g hr e l i a b l e d a t aa c q u i s i t i o n & p r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h eh i g hs p e e dr e a l - t i m ep r o c e s s i n g s y s t e m ，e s p e c i a l l y ，t h em a t c h i n gp r o g r a m m a b l el o g i ct e c h n o l o g ya n dt h e m o d u l a rd e s i g ni d e ac a na c c e l e r a t et h ep r o c e s so ft h es y s t e md e s i g n f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h el a t e s td e s i g n i d e a sa b o u tt h ed e v e l o p m e n to fr e a l t i m ep o w e rp a r a m e t e r sa c q u i s i t i o n b y d e e p l yr e s e a r c h ，t h e f r a m e w o r ko ft h i st h e s i sh a sb e e ne s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h es t a n d a r do ft h er e a l - t i m ee l e c t r i c a l s i g n a l sa n dt h e e x p e c t e dp e r f o r m a n c e s o ft h e s y s t e m ，t h ef p g a b a s e dd e s i g n o ft h e r e a l - t i m et h r e e - p h a s ep o w e rp a r a m e t e r sa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dr e m o t e t r a n s m i s s i o n s y s t e m h a sb e e n p r o p o s e d a n da c h i e v e do nt h ex i l i n x d e v e l o p m e n tp l a t f o r mt or e p l a c et h et r a d i t i o n a l ”d s p + a s i c ” a c c o r d i n gt ot h ef u r t h e ra n a l y s i sa b o u tt h ep r o je c tr e q u i r e m e n t sa n d t h er e l a t e dp a r a m e t e ri n d e x ，t h i st h e s i sm a k e sf u l lu s eo ft h ea d v a n t a g e so f t h es o p ct e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nt h em i c r o b i a z ep r o c e s s o rt o i m p l e m e n tt h es y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ep l a t f o r mi nas i n g l e c h i pf p g a t h o u g ht h eu s i n go fm o d u l a rd e s i g np r o c e s s ，i ti m p l e m e n t st h e d e s i g no fs y s t e mf u n c t i o nm o d u l e sa n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h es y s t e ma n d p e r i p h e r a l s ，c o n f i r m st h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e ma n do t h e rc o r em o d u l e t h eh a r d w a r es c h e m ed e s i g n st h ed a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e ，p o w e r s u p p l ym o d u l e ，t h e d a t a c a c h e ，t h ep e r m a n e n t l ys t o r a g eo f s e n s i t i v e p a r a m e t e r s a n dt h ee l e c t r i c a ld a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e ，t h e n g i v e s a d e t a i l e dd i s c u s s i o no fh a r d w a r ec i r c u i ta n dd r i v e r p r o g r a ma b o u ta b o v e m o d u l e a tl a s t ，t h eh a r d w a r es c h e m ei si m p l e m e n t e da n dt h em a t c h i n gt e s t d a t ai sg i v e n at h r e ep h a s ef i e l dc a l i b r a t i o ni n s t r u m e n tw h i c hi sb a s e do n i i i r e a c h ，e 三t h e e x p e c t a t i o n 。 t e f s a c q u i s i t i 。ns y s t e mg i v e sf u l lp l a y t 。 mt h r e e 。p h a s e p o w e 出rp a r a m n e = 竺篇篇麓i o t t h ea d v a n t a g eo fm i c r o b “：罴矿懿m n q _ w 淼t e g ；l i n t r t l u a t e l v 与s t h j e s h o r t e n st h ed e s i g nc y c l e , 洫”洲e s t h e d e s i g n e t t l c l e n c y , _ 二：二：王nt h 。u 曲 d e s i g n s o u r c e 。o n h t h e s y s t e d m e s f ig u n n c t b i o e n c a a u n s d e 。a l f g t o h r e i t p h r m 。g l r m a m p l m e m a b u l n e t a a t n l u d m 。d u 二r 置i m p l i f y i n g t h 。黑a r d 瞄w a r e 此酊鲈趴哪e = 邮黑：篡卷t e m ：i e s i g n f e a t u r e s 。ff p g a , t h e h a a n r d d w u a p r e d a d t e e s l a g n n d a n h d a s a l g g o 。r 。1 1 d n m p 。o r l t a t b l l l i a l i t ；a n d ；sc o n v e n i e n t t oe x t e n s i o n a n d u p c d o a s e t l e a s n s , q h n g a h ) ；：三三二。：n dh a ：g 。d r e c o n s t r u c t i o na b i l i t y t h i ss y s t e m i s em g n1 u 。b 1 “。 。 k e y w 。r d s ： p 。w e r p a r a m e t e r a c q u i s i t i 。n ； f p g a ； e n e r g ym e t e r 。n 1 1 n e 。d e t e c t i o n ；e t h e r n e t t r a n s m i s s i o n ；i pc o r e i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究方法和f p g a 优势3 1 4 研究意义4 1 5 论文结构5 第2 章三相电参数采集器总体设计7 2 1 功能需求7 2 2 系统总体设计8 2 3 系统处理器选型9 2 4 内存容量分析10 2 4 1 前期数据验证内存消耗l0 2 4 2 系统运行内存分析10 2 5 开发环境1 1 2 5 1i s e 逻辑开发工具1 1 2 5 2e d k 嵌入式开发工具：1 2 2 5 3s y s t e mg e n e r a t o r 算法开发工具12 2 6m i c r o b l a z e 软核处理器简介13 2 6 1 体系结构l3 2 6 2 总线接口l5 2 6 3 指令集和流水线16 第3 章数据采集的研究与实现l7 3 1 数据采集芯片特性1 7 3 1 1 时序特性17 3 1 2 电源特性18 3 1 3 量化特性19 3 2 数据采集芯片驱动i p 核设计与实现19 3 2 1 知识产权核简介19 v 基于f p g a 的二相电参数采集器的研究与实现 3 2 2a d c 7 6 5 6 驱动i p 设计2 1 3 2 3a d c 7 6 5 6 驱动i p 验证2 4 3 3 电源模块分析与设计2 7 3 3 1 电源模块分析2 7 3 3 2 电源模块调试及验证2 9 3 3 3 电源供电方案结论及实施注意点33 第4 章数据存储及传输的研究与实现3 4 4 1 数据缓存的研究与实现3 4 4 1 1d d rsd r a m 特性介绍3 4 4 1 2 数据缓存控制器的研究和实现35 4 2 数据非易失存储的研究与实现38 4 2 11 2 c 通信协议介绍3 8 4 2 2e e r p o m 数据存储的实现3 9 4 2 3s d 上数据存储的实现4 4 4 3 数据传输的研究与实现4 5 4 3 1 基于r s 2 3 2 协议的本地通信4 5 4 3 2 基于t c p i p 协议的远程通信4 8 4 3 3 数据通信测试5 5 第5 章三相电参数采集器的测试与应用58 5 1 三相电参数采集器测试平台5 8 5 1 1 测试框架58 5 1 2 三相电压信号预处理58 5 1 3 三相电流信号预处理叫二5 9 5 2 三相电参数采集器测试6 0 5 2 1 测试条件和理论计算6 0 5 2 2 测试结果6 0 5 3 三相电参数采集器应用6 3 5 3 1 三相电能表现场校验仪简介6 3 5 3 2 联调测试结果6 4 5 4 测试和应用结论6 5 结论与展望6 6 参考文献6 8 致谢7 l 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录7 2 附录b 攻读学位期间所获的专利目录7 3 v i 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 为保证电网安全、可靠、经济、高效和环境友好，i b m 于2 0 0 6 年提 出了“智能电网”的宏观概念和解决方案。智能电网必须为不同时段不同 地点的用户提供可靠& 智能的电力供应，并对发生概率较大的问题提供预 见性的报警，适应电力用户的多样性特点，使得电力系统能够应对大多 数的电网扰动，保证用户使用电力的持续可靠，安全有效。 位于i b m 的“六大领域中的智慧行动方案”之首的“智慧的电力”，要 求赋予消费者管理其电力使用并选择污染最小的能源的权力，这样可以 提高能源使用效率并保护环境。同时，它还能确保电力供应商有稳定可 靠的电力供应，亦能减少电网内部的浪费。这些确保了经济持续快速发 展所需的可持续能源供应【l j 。 在全球对“智能电网”的高度重视的大背景下，中国的武建东能源专 家提出的“互动电网( i n t e r a c t i v es m a r tg r i d ) 定义为：在开放和互联的信息 模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发 电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产 业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业革命、技 术革命和管理革命的综合性的效率变革。它将再造电网的信息回路，构 建用户新型的反馈方式，推动电网整体转型为节能基础设施，提高能源 效率，降低客户成本，减少温室气体排放，创造电网价值的最大化。该 适合中国国情的互动电网概念涵盖了智能电网的真实含义。 高精度数据采集系统广泛地应用于电力系统、通讯、图像、军工以 及医疗化工等领域 2 1 ，具有重要的应用价值。传统单片机或d s p ，因其 指令串行执行，作为控制器时速度有限【3 】，对于高速多通道数据采集， 普通单片机或d s p 很难满足系统对数据采集实时性和同步性的要求【4 j 。 近年来，各种大容量高性能现场可编程门阵列( f p g a ) 以及多通道高速数 据采集芯片( a d c ) 的快速发展，为用户设计带来了方便1 5 j 。 对电能表的检测设计出高精度，高可靠性，高稳定性的数据采集板 卡，使电网的资源配置能力、安全稳定水平以及电网与电源和用户之间 的互动性得到显著提高，从关键技术研发和设备研制上，走能源节约型 的可持续发展道路，具有深远的战略意义。 基于f p g a 的三相电参数采集器的研究与实现 1 2 国内外研究现状 为建立资源节约型社会，能源计量是其至关重要的一环，和国计民 生息息相关。作为能源计量中的重要领域，电能计量涉及到社会、国家、 企业与广大人民群众的切身利益，电力部门和计量部门正是通过其强健 的技术实力，把国家的电能标准量值传递给每一个用户，使国家利益和 人民群众的利益得到最大限度的保护。 e n b w 是德国一家电力公司，拥有6 0 0 万用户，发电量约为15 。0 0 0 兆瓦，几乎所有的德国人都是其客户，所以通过增加新客户实现增长不 太可行。e n b w 需要授权客户做出“更智能的”电力消费决策，进而增加客 户用电的灵活性。智能电表及其检测系统是一个首创的解决方案1 1 】。 图1 1 和图1 2 给出了庞大的电网中的四个重要环节和相应层次图： 发电、输电、变电、配电。智能电网的方案及其配套产品，适用于每一 个环节，贯穿整个电网。目前，诸多电能源计量和能效管理企业，致力 于以下三个方面的产品研发和推广。 ( 1 ) 三相电能表、预付费i c 卡表、无线远传智能电表等计量表计具； ( 2 ) 大用户配电终端、低压集抄终端、智能用电显示电源、集中器 等终端产品； ( 3 )电厂电能量管理系统、发电侧电能量交易系统、发电计划考核 计费系统、省调地区电能计量系统、路灯控制系统、低压集抄 系统等电能量计量表计终端主站软件能源管理系统。 电厂电能量管理系统 发电侧电能量交易系统 发电计划考核计费系统 省调电能计量系统 地区电能 计量系统 县级电能 计量系统 图1 1 电网概况图 2 大用户配变 台区监测系统 路灯控制系统 低压抄表系统 硕士学位论文 图1 2 电网各环节层次图 上海中荣仪电有限公司开发出了一系列手持式、多功能式、微机型 的三相电能表现场校验仪，手持设备一般为0 5 、o 2 或0 1 级，达到o 0 5 级的校验仪为微机型仪器，此型号性能卓越，能够满足各种类型电能表 及电压、电流、功率因数等多种指标的检测，同时存在体积较大价格较 高的劣势1 6 】。文献 7 】对基于s o p c 技术的电能表有一定的研究，本文设 计一个具有远程传输能力的采集卡，特别对多通道同步数据采集从硬件 到驱动程序设计做了比较深入的研究，并予以实现，除了可方便传输采 集数据外，为基于服务器对系统进行统一管理提供可能。 身居国家重点监管的六种计量器具之一的电能表，按照i e c 标准 i e c 6 2 0 5 2 1 1 ：2 0 0 3 和国标g b tl7 6 2 6 2l1 2 0 0 6 ，对于带有电子功能装 置的感应式或完全电子式的电能表，要求进行相应指标范围的电磁兼容 试验【1 2 】。关于电磁兼容性国内外的试验情况统计表明，电磁兼容试验中， 射频辐射抗扰度试验是至关重要的也是出问题较多的。目前对电能表射 频电磁场辐射抗扰度试验机理已经有一定的研究经验和参考案例，电磁 辐射是如何干扰电力设备和电能表具的，对哪些网络和线路容易干扰， 应该采取何种的措施进行整改和预防。企业和研究所技术专员和工程师 们整改时都是采取反复试验的方法，往往要经过多次的优化，才能够通 过各项电磁兼容性试验。本文研发的三相电参数采集器，可用于高精度 电能表、标准表、校表装置等等产品的研发，在电磁兼容方面更需要基 于目前国内外参考案例和设计经验着重设计。 1 3 课题研究方法和f p g a 优势 以f p g a 为核心，以s o p c 技术为手段，采用自顶向下的设计方法， 设计出三相电参数采集器的软硬件方案，研发出硬件系统，将提出的方 3 基于f p g a 的三相电参数采集器的研究与实现 案在此硬件系统上予以实现并测试，根据后续的测试结果，对前期设计 方案局部调整和优化，最终得到三相电参数采集器的参考案例，可应用 于智能电表、标准电能表以及校表装置等电气化设备的原型机研发。 f p g a 技术可满足大批量的数据源算，同时可满足嵌入式系统应用的 各种人机交互需求，通过可定制化系统结构来适应计算任务的计算特点 和数据流，进而达到比较高的运算速度和性能要求。f p g a 具有硬件级可 编程的特点，它不仅可以在片上实现需要的大量的计算机参与运算的大 容量算法，而且可依照算法所需将这些部件按照一定的结构映射到定制 的芯片上，因此具有极其卓越的优势。 ( 1 ) f p g a 能够高速并行的处理各种内部事务，实现批量的算法运 算，可以保证电能量计算和误差补偿等算法的快速实现。 ( 2 ) f p g a 内部总线速度较高，使得在实现特定算法时，专用处理 单元的速度可以获得大幅度的提升，软件硬件的灵活调整，可以保证特 定算法的高速高效运行。x i l i n x 和a l t e r a 公司均推出了大容量高速度的 f p g a ，已经可以高速实现3 2 位数据的硬核级运算。本文采用了其l8 位 乘法器做电压和电流的乘积运算。 ( 3 ) f p g a 是按照数据流方式进行编程的，可以将系统框图和软件 算法稍加修改移植片内。应用结果表明，框架和算法移植给f p g a 比将 其转化为按指令的顺序流编程的d s p 代码更容易理解和开发。 ( 4 ) 专用处理单元的使用，去掉了冗余部件，可以提高芯片的利用 率。本为分模块封装i p 核，并启用m i c r o b l a z e 进行调度管理。 ( 5 ) f p g a 的配套开发工具和环境，可让用户进行精细的分工协作， 可按照逻辑开发、算法研究、嵌入式应用、理论研究和系统联调各个角 度分配工作岗位，极大程度的加速产品的研发进程。 ( 6 ) 开放的g p i o 丰富的特性，满足本文并行数据采集和传输的多 g p i o 的需求。 1 4 研究意义 电能表作为重要能源电能的计量设备，质量的优劣直接关系到国民 经济的健康稳定发展，高精度、高可靠性的三相电能表检测系统的研究和 开发，一直是电力部门及电能表生产企业致力于攻关的方向。 电力部门对电网系统的传统校表流程是：首先申请停电，审批通过后 停电，停电后从电网上卸表，检测，检测通过后安装回电表，恢复供电， 整个过程需要一周甚至更长时间。因此，设计一种电能表在线检测系统， 能够解决这个问题，为国家智能电网计划增加新的元素。本文设计出的 4 硕士学位论文 采集器，对复杂的电磁环境，波动的电网特性具有一定的应对措施，保持 系统的稳定性【1 2j 。 本文所设计的三相电参数采集器，可用于新型电能表检测系统之核 心部件一数据采集卡，亦可用于高精度三相电表等产品开发和应用。其 高精度和高稳定性，为在线检测系统的功能实现提供可能，直接决定在 线检测系统的整体性能和可靠性，也为“智慧的电力”战略增添新的元素。 1 5 论文结构 本文的任务：( 1 ) 方案定型与关键芯片选型：对项目需求提出的指 标作出具体的理论分析，选择能够满足要求的数据采集芯片和系统主芯 片，设计出一个合理的系统方案；( 2 ) 硬件电路设计：系统以f p g a 为 核心，做好六通道同步数据采集的电源拓扑和地平面隔离，能够对预处 理后的三相电压和电流信号进行实时采集，在f p g a 内部对其做电能量 计算，对于中间结果和待发送电能数据，扩展的两片d d rs d r a m 作为 运算数据的缓存区，对小量敏感数据存储于e e p r o m 中，也可存储在s d 卡中随时取出做后续分析。( 3 ) 驱动程序设计和软件设计：系统嵌入 m i e r o b l a z e 软核处理器，基于该处理器，开发多端口内存管理i p 核 ( m p m c ) 、以太网控制i p 核( m a c ) 、三相六路电能信号的采集i p 核等， 并在驱动程序上实现a r p ，u d p i p ，u d p i p 协议，完成电能量相关数据 的远程传输。( 4 ) 以研发出的三相电采集器，后期设计出一个符合项目 需求的三相电能表现场校验仪，并符合相应电力设备标准。论文的章节 安排如下： 第一章：主要介绍当前国内外智能电表及检测系统现状，尤其是实 时数据采集及远程传输系统的研究现状，以及该设计的研究背景及意义。 第二章：对项目的指标要求和参数进行理论分析与研究，确定关键 的芯片器件以保证指标的实现，并留有一定得设计余量；同时，对x i l i n x 国内公司的开发平台及m i c r o b l a z e 处理器进行介绍，阐述系统的总体设 计理念和系统构架。 第三章：详细介绍高精度数据采集的硬件电路和驱动i p 核设计，对 第二章的理论分析的数据采集部分进行了一个实现和验证。 第四章：此章分为三大块分别进行介绍：( 1 ) 重点介绍了m p m c 的d d r 2s d r a m 控制器的设计和实现，并给出了相应的测试图表，实现 了采集器数据的缓存；( 2 ) 主要介绍基于1 2 c 协议的设计与实现，并基 于此协议i p 核在采集器上的e e p r o m 中进行实现，并简述了基于s p i 协议的s d 卡数据的传输；( 3 ) 详细介绍大容量数据基于r s 2 3 2 协议的 5 基于f p g a 的三相电参数采集器的研究与实现 本地传输和基于t c p i p 协议的远程传输的设计，设计出m a c 控制，实 现了a r p i p 和u d p i p 协议，并运用此设计传输采集器采集到得三相电 能量数据至服务器。 第五章：以第二章到第四章设计出的三相电参数采集器，辅以相应 的前端信号预处理电路，配套上位机软件，研发出三相电能表现场校验 仪原型机，测试满足项目需求，并符合相应饷电力设备标准。 最后对全文设计出的系统方案和实施结果做出总体评价及展望。 6 硕士学位论文 第2 章三相电参数采集器总体设计 2 1 功能需求 项目要求设计并实现一种三相电参数采集器，并能应用于三相智能 电表、三相电能表现场校验仪等电力仪器设备的研发，具体设计要求如 下： ( 1 ) 对三相电能计算方法和误差处理算法进行初步探讨，确定误差 指标，理清误差分配关系，把握好对误差影响较大的环节； ( 2 ) 进行三相电压电流信号的采集模块研发，把握采集模块的采集 位数和采集速度，直至满足预定的误差指标； ( 3 ) 确定三相电参数采集器的上行通信传输方式，如以太网传输、 光纤通信、3 g 通信等； ( 4 ) 对所研制出的硬件系统进行测试并优化，满足相应的电力设备 标准，如防静电测试、脉冲群测试、雷击测试、高低温测试、湿热等稳 定性测试。 ( 5 ) 研制出的三相电参数采集器下行对三相电参数计量外，同时通 过脉冲采集或r s 4 8 5 等方式，对标准表计数据进行采集，两路数据通过 预选通信方式上行至主站服务器统一分析； ( 6 ) 除具备三相电参数采集功能外，还需具备一定的远程参数预设 定功能，方便主站对其进行监控； ( 7 ) 初步总体框图如图2 1 ，可基于“计量装置”部分，辅以相应的 三相电压、电流调理电路等子模块，灵活的扩展为三相智能电表、三相 电能表现场校验仪等电力仪器设备； 。厂= _ 广 7 l 通通 p c 信信虚拟 标准 接 _ 电能 被校验电袁 接。 。钆 ， 口 表 口 一t一广 驱驱 动动 系统 7 l：7 l ：二 计量装置主站装置 图2 1 系统总体要求 ( 8 ) 图2 1 的“主站装置”可基于不同的软件环境，如l a b v i e w 、 7 基于f p g a 的三相电参数采集器的研究与实现 v i s o b a c i c 等，构建出电厂电能量管理系统、发电侧电能量交易系统、发 电计划考核计费系统、省调地区电能计量系统、路灯控制系统、低压集 抄系统等电能量计量表计终端主站软件能源管理系统。 2 2 系统总体设计 本设计以f p g a 为核心处理器，配备的1o 10 0 m b p s 的网卡芯片可将 数据远程传输至标准装置，以l6 位六通道同步数据芯片为采集核心，自 行设计采集驱动i p 核，对三相电的六路信号实行实时同步采集，交与 f p g a 内部b l o c kr a m 缓存，其后分为两路：一路在f p g a 内部进行时 域和频域的分析，分析后的数据通过以太网发送至标准装置；一路则不 做任何处理直接将数据交与标准装置。同时，系统通过光电传感器对被 检测电表的脉冲输出计数，这批小流量数据一起传给标准装置，利于采 集卡数据和被检测表的数据比对分析。为系统内存的合理优化，扩充单 片d d rs d r a m ( 5l2 m b i t s ) 作为电能数据时域和频域分析的缓存区，外扩 s d 卡和e e p r o m ，对部分数据的非易失存储，构成一个功能较为强大的 实时电能量数据的采集和分析系统，其系统组成原理框图如图2 2 所示。 图2 2 系统框图 ( 1 ) 系统以f p g a 为核心，内部配置3 2 位的m i c r o b l a z e 的软核处 理器，处理器和外界驱动i p 核采用p l b 数据总线通信； ( 2 ) 基于v h d l 的硬件描述语言，设计出数据采集芯片的驱动，提 供合格的时序，对数据采集芯片提供控制信号，并按照时序要求并行读 入16 位采样数据，送入f p g a 内部的缓存区域； ( 3 ) 数据采集的缓存区分为对等的两个区域，采取乒乓方式，对数 8 硕士学位论文 据进行缓存，保证采集的速度和数据安全性； ( 4 ) m p m c 多端口内存控制器，对d d rs d r a m 进行驱动和管理， 配合提供片上信号处理和算法运行的数据缓存区： ( 5 ) m a c 控制器分为两部分，一部分为数据域通道，完成p h y 和 f p g a 之间的数据交互，一部分为串行控制器，提供m d c 和m d i o 信号， f p g a 可以通过此控制器对p h y 内部寄存器进行读写配置； ( 6 ) 计算驱动完成f p g a 对外界被测电能表计进行数据采集； ( 7 ) s d 卡驱动、i i c 控制器，提供对s d 卡和e e p r o m 的驱动程序， 并基于其i p 核实现s p i 、i i c 数据通信协议； ( 8 ) 同时，为了数据通信的便利性和调试的方便，提供一路本地 r s 2 3 2 串口通信，可通过此接口读出系统的采集数据，也可通过此端口 对系统进行参数配置； 系统的整体设计分为四个阶段。第一阶段：理论分析阶段，分析达 到项目需求的采样位数、采样率、内存消耗量等关键参数；第二阶段： 硬件电路设计和调试阶段；第三阶段：驱动i p 核的设计，以太网通信设 计，软件联调阶段；第四阶段：指标和稳定性测试阶段。 2 3 系统处理器选型 一方面三相电压、电流的采集和实时传输，要求系统具备较大的数 据吞吐量；一方面三相电压、电流有效值，有功功率、无功功率及其功 率因素等数据实时运算和处理，尤其是多次谐波分析，要求系统能够快 速地完成大量的运算。因此，本课题所研究的三相电参数采集器无论从 功能还是性能方面，对处理器都提出了极高的要求，实现此功能的主要 方式有四种：( 1 ) 运用便携式电脑运算，适合电能量及谐波分析算法的 仿真，但不适合三相电参数的实时处理，且成本较高，很难推广； ( 2 ) 采用a s i c ( 专用处理芯片) ，其处理效率较高，但其价格昂贵且开发周 期较长，且应用范围受限；( 3 ) 选用d s p + f p g a 的联合架构，此类设计 是目前比较成熟流行的方案，对本文有非常重要参考意义；( 4 ) 采用较 大容量的可编程逻辑器件的单片解决方案，利于数据采集驱动时序设计， 利于各种电参数计算的并行处理，也利于大容量数据向主站方高速传输， 结合3 2 位软核处理器m i c r o b l a z e 的诸多优势，能够满足本课题三相电压、 电流信号的实时采集、相关处理及远程传输的需求，也能够满足算法并 行计算的需求，本文采用此方案，即可保证三相电信号实时采集、处理 和传输功能，也可提高系统集成度，且缩短了产品开发周期。 9 基于f p g a 的三相电参数采集器的研究与实现 2 4 内存容量分析 2 4 1 前期数据验证内存消耗 2 4 1 1 时域分析法 a d c 的六路输入记为y j ，比，将三相电的a 路电压、电流接 入a d c 的v l 和v 2 ，即k = 呢，k = l ，同样的接入方法使得圪= ，巧= 厶， k = ，圪= 毛。如果是电能计算和累积而不涉及其他的话，可不需要太多 的r a m ，用f p g a 实现，完全可以一边采集，一边乘积，一边累加，不需 要将一周采下来再计算。所以，仅对电能校验时，3 相的乘法至少需要3 个16 16 b i t 乘法器，以a 相为例，计算e 时需要先将圪存入b l o c kr a m ， 待下一路信号，。采入后两者一起送入乘法器a ，其他两路同样处理。以 l6 b i t 位宽数据，6 4 k h z 的采样计算，则需要16 6 4 k h z 5 0 h z = 2 0 4 8 b i t 。 在f p g a 中，以18 k b i t 个计算，需要耗费掉不到6 个b o l c kr a m ，且留 有一定的运算余量，可以允许采样率进一步提高。 2 4 1 2 频域分析法 在点数12 8 ，采样频率6 4 k h z 时，f f t 的分辨率为5 0 h z ，此设计需 要耗费3 个b o c l kr a m ，f f t 结果数据的存储耗费。但此方法只能计算 5 0 h z 及倍频的频点上的能量。对周围的频点分析不到