Application about CPLD on Design of Harmonic Analyzer

REN Zihui, LI Haigang

(Information & Electrical Engineer College, China University of Minin g & Technology,
Xuzhou 221008, China)

　　Key words: CPLD; harmonic analysis; frequency?following

1采樣方法比較
　　對(duì)三相電壓、電流6路模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，一般有兩種方法：①同相電壓電流交替采樣法：在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，采樣256點(diǎn)，其中128個(gè)奇數(shù)點(diǎn)為電壓采樣點(diǎn)；128個(gè)偶數(shù)點(diǎn)為電流采樣點(diǎn)。采電壓和采電流的時(shí)差為Δt=T/256(T為被測(cè)信號(hào)周期)。由Δt引起的同相電壓電流的相位誤差為δui=360*f*n*Δt(度)。式中f——被測(cè)信號(hào)頻率，n——諧波次數(shù)。由上式可知相位誤差隨時(shí)差Δt、諧波次數(shù)n增大而增大，這是造成相位差存在并且不一致的根本原因。另外還有一個(gè)原因，當(dāng)電網(wǎng)頻率畸變時(shí)，由于采樣是定時(shí)采樣，不能跟隨頻率變化，也會(huì)造成測(cè)量誤差。②同相電壓電流整周期同步采樣法：同相電壓、電流采取的是同步采樣，分時(shí)傳輸?shù)姆椒?。這樣，就不存在時(shí)差問(wèn)題，相位差也就不存在；對(duì)于電網(wǎng)頻率畸變的問(wèn)題，常用的方法是鎖相環(huán)技術(shù)。它是通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)取樣進(jìn)行帶通濾波，提取出電網(wǎng)基波信號(hào)，然后進(jìn)行整形處理，獲得與基波信號(hào)頻率一致的方波信號(hào)，將它進(jìn)行鎖相倍頻，獲得輸出頻率為f0=N*fi的方波信號(hào)，以此作為整周期同步采樣脈沖信號(hào)。由此，采樣間隔也就隨被測(cè)信號(hào)的頻率變化而相應(yīng)變化，但是，這又增加了硬件的開(kāi)銷。在本設(shè)計(jì)中，采用的是整周期同步采樣方法：由CPLD和單片機(jī)配合產(chǎn)生符合要求的整周期同步采樣脈沖信號(hào)。

2.1系統(tǒng)的工作原理
　　首先讓被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)抗混疊低通濾波器電路進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)其中1路信號(hào)通過(guò)測(cè)頻模塊進(jìn)行精確的頻率測(cè)量，把頻率參數(shù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由其通過(guò)運(yùn)算確定分頻系數(shù)，然后，回送到CPLD的總控制器中，總控制器由此產(chǎn)生采樣脈沖信號(hào)。在采樣過(guò)程中，對(duì)于同相電壓、電流信號(hào)采用的是同步保持，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)分時(shí)采樣。其中，3路采樣保持器的控制信號(hào)Ca，Cb，Cc，多路開(kāi)關(guān)的地址選通信號(hào)A1，A2，A3由CPLD控制產(chǎn)生。把選通的1路信號(hào)送入AD開(kāi)始轉(zhuǎn)換，并檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)一次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，通過(guò)RAM地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址和讀寫(xiě)控制時(shí)序，把AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果直接送入雙口RAM存儲(chǔ)。然后，進(jìn)行下一次采樣。當(dāng)A相信號(hào)采樣完成后，就順序采樣B相、C相信號(hào)。本設(shè)計(jì)中的MCS?51單片機(jī)主要負(fù)責(zé)運(yùn)算及人機(jī)接口的管理，這將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，提高了運(yùn)算的精度，又兼顧了運(yùn)算的響應(yīng)速度。
2.2主要硬件的選擇
　　由于CPLD是高速器件，所以在采樣頻率很高的時(shí)候，多路開(kāi)關(guān)和AD轉(zhuǎn)換器就成為制約采樣頻率的主要因素。當(dāng)采樣頻率達(dá)到兆級(jí)的時(shí)候，RAM的存儲(chǔ)速度又成為了另外一個(gè)制約因素。
　　在本設(shè)計(jì)中，要求分析的諧波次數(shù)達(dá)到50次，被測(cè)信號(hào)在45Hz～55Hz范圍內(nèi)，頻率自動(dòng)跟隨。根據(jù)香農(nóng)定理知：采樣頻率應(yīng)該大于或者等于被測(cè)信號(hào)頻率的2倍。要求每個(gè)周期采樣128點(diǎn)，這樣總的采樣頻率為f=128*55*2=14.08kHz，所以采樣周期為T(mén)=1/fs=71.02μs。采樣保持器選擇AD582，它是反饋型結(jié)構(gòu)，在精度要求不高(≤0.1％)而速度要求較高時(shí)，可選用CH=1000pF，捕捉時(shí)間tAC≤6μs。多路開(kāi)關(guān)選用MAX382，它開(kāi)關(guān)速度快，在雙電源，連續(xù)供電工作方式下，典型開(kāi)關(guān)時(shí)間在100ns左右。它的主要特點(diǎn)是：工作電壓低、通道電阻小(≤100Ω)、具有數(shù)字輸入鎖存、TTL/CMOS電平兼容、具有ESD靜電保護(hù)功能等。ADC轉(zhuǎn)換器選用MAX172，該芯片是5V電源供電的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，CMOS工藝制造，速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs，具有基準(zhǔn)源，外接時(shí)鐘，頻率要求為1.25MHz。

　　在本設(shè)計(jì)中選用的是EP1K100QC208-3，它是ALTERA公司推出的ACEX1K系列下的一款FPGA芯片。上電時(shí)需要重新對(duì)芯片進(jìn)行配置。片內(nèi)有100，000可用門(mén)，有4，992個(gè)邏輯單元，內(nèi)嵌12個(gè)EAB。每個(gè)EAB的容量為512Byte，可以非常方便地構(gòu)造RAM、ROM、FIFO或雙口RAM等功能。本設(shè)計(jì)中6KB的雙口RAM正是基于此構(gòu)建的。其有208個(gè)管腳，可用I/O管腳數(shù)為147個(gè)。

　　本設(shè)計(jì)的軟件是在MAX+plusII10.2下完成的，頂層文件是*.gdf圖形文件，低層用AHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述。
3.1測(cè)頻模塊
　　測(cè)頻模塊的主要作用是：①測(cè)量電網(wǎng)頻率；②確定分頻系數(shù)，產(chǎn)生跟隨頻率變化的同步脈沖。測(cè)頻原理：由于測(cè)量的頻率在50Hz左右，采用脈寬測(cè)量方式，即首先對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行2分頻，使信號(hào)的正負(fù)脈寬相等，然后利用正脈寬對(duì)50MHz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。正脈寬上升沿來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)；下降沿來(lái)時(shí)，鎖存當(dāng)前的計(jì)數(shù)值Con。通過(guò)以下關(guān)系確定頻率f、分頻系數(shù)N。
　　
　　分頻系數(shù)為：系統(tǒng)時(shí)鐘源頻率與分頻得到脈沖頻率(256*f)的比值的一半再減去1，即：
　　
3.2S/H時(shí)序控制模塊
　　由于采用的是同相電壓、電流同步采樣技術(shù)，所以對(duì)S/H的控制時(shí)序要求嚴(yán)格。同步采集某相電壓電流1次的時(shí)間≤71.02μs。同相電壓、電流間要求是同時(shí)保持，分時(shí)采樣。由于ADC582的捕捉時(shí)間約為6μs，所以S/H時(shí)序脈沖低電平應(yīng)至少為10μs，在此期間，采樣保持器處于跟蹤狀態(tài)；高電平為60μs，在高電平期間，采樣保持器處于保持狀態(tài)。前30μs對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)；后30μs對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)。仿真波形如圖2。

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　　在AD582控制脈沖一個(gè)周期的高電平期間，要采集電壓、電流各1次，所以多路開(kāi)關(guān)MAX382需要選通2次，AD芯片MAX172也需要啟動(dòng)2次。第1次MAX382選通起始于AD582控制脈沖上升沿來(lái)臨以后的1μs時(shí)刻；第2次起始于中間31μs處，延時(shí)1μs。這是因?yàn)椴蓸颖３制鞯妮敵鲞€有一段波動(dòng)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間tST才保持穩(wěn)定，為了量化的準(zhǔn)確，所以在保持指令發(fā)出后，延時(shí)1μs。AD啟動(dòng)脈沖開(kāi)始于AD582控制脈沖2μs、32μs處，也延時(shí)1μs。MAX172的控制端有：CS，HEN，RD；轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)線：BUSY。當(dāng)CS=0，RD=0，BUSY=0時(shí)，AD正在轉(zhuǎn)換；BUSY=1時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束；HEN=1，讀轉(zhuǎn)換結(jié)果的高4位數(shù)據(jù)，HEN=0時(shí)，讀轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8位數(shù)據(jù)。該模塊要結(jié)合硬件來(lái)仿真。MAX172的控制時(shí)序圖如圖3。

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　　ACEX1K100器件內(nèi)嵌EAB單元，可構(gòu)成容量大約為6KB的雙口RAM，由于MAX172是12位AD，而MCS-51的數(shù)據(jù)總線只有8位，所以，需要把1次采樣的數(shù)據(jù)分成2個(gè)字節(jié)，分別存儲(chǔ)。因?yàn)殡妷?、電流分時(shí)交替轉(zhuǎn)換，所以，在地址發(fā)生器中要有一個(gè)確定的映射規(guī)則，調(diào)整其存儲(chǔ)地址，以使電壓、電流在雙口RAM中分塊順序存儲(chǔ)。另外，在雙口RAM中，當(dāng)對(duì)同一地址單元同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，要有一個(gè)仲裁機(jī)制，對(duì)其進(jìn)行控制；當(dāng)讀寫(xiě)發(fā)生沖突時(shí)，我們約定：CPLD寫(xiě)雙口RAM具有優(yōu)先權(quán)，只有當(dāng)寫(xiě)操作結(jié)束后，MCS-51單片機(jī)才被允許讀該單元。該模塊的仿真波形見(jiàn)圖4。
3.5通信模塊
　　該模塊是在CPLD內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)串行發(fā)送電路端口，實(shí)現(xiàn)MCS-51單片機(jī)與CPLD器件之間的通信功能。(1)在正常工作模式下，頻率、同步脈沖的分頻系數(shù)等重要數(shù)據(jù)需要通信。(2)在系統(tǒng)升級(jí)模式下，單片機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)給CPLD實(shí)現(xiàn)升級(jí)。通信方式為串行單工通信，MCS-51單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，CPLD接受數(shù)據(jù)。通信波特率約定為9600bps，通信的幀結(jié)構(gòu)：1幀10位數(shù)據(jù)，1位起始位(低電平)，8位數(shù)據(jù)位，低位在前；1位停止位(高電平)。幀與幀之間有3位空閑位(高電平)以確保通信正確。??

　　在電力諧波分析儀的設(shè)計(jì)中，CPLD的應(yīng)用使采樣的速率大大提高，由于采用頻率跟隨技術(shù)，可以滿足高精度的測(cè)量需要。另外，也減輕了MCS-51單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。該設(shè)計(jì)還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)升級(jí)方便，只要把ADC芯片換成MAX162，單片機(jī)的程序稍做修改即可。當(dāng)然也可以實(shí)現(xiàn)在線修改，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能。