基于FPGA的数据采集及显示

    谐波是电力系统的一大公害，消除谐波污染，把谐波含量控制在允许范围内，已经成为主管部门和用电单位的共同奋斗目标。而要消除电网中的谐波，首先就要对谐波进行准确测量，谐波测量工作已经越来越引起人们的关注[1]。A/D转换电路是电力系统谐波测量中必不可少的一个重要环节，是电力系统谐波测量系统前端的核心。
　FPGA因具有强大的逻辑控制能力、高速的运算能力、灵活的可编程性，已经越来越多的被用于各种数字系统。在FPGA内部一般都内嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模块。用FPGA模块来实现数字信号处理可以很好地解决并行和顺序性的矛盾，直至速度问题，而且其灵活的可配置性，使得FPGA构成的DSP系统非常易于修改，易于测试及硬件升级。在QUARTusII开发软件中用Verilog HDL硬件描述语言能够很容易进行逻辑电路设计，并且在FPGA中可以实现用硬件进行配置，可有效降低软件运行时间和软件设计复杂程度[2]。因此，FPGA非常适合在电力系统谐波测量系统中作为核心器件。
　本文中采样电路选用AD73360，在QuartusII中用Verilog HDL硬件描述语言实现了AD73360及VGA与FPGA的接口设计，最后通过实验验证了设计的正确性。
1 系统总体方案
　系统以ALTEra公司的DE2开发板为平台，系统框图如图1所示。信号采集单元核心器件为电压、电流互感器。互感器将待测高压、大电流信号线性转换为合适的微弱电压信号，该微弱电压信号经信号调理电路放大为合适的电压信号，经低通滤波电路滤除高于2 500 Hz的高频噪声，然后送到A/D转换单元进行A/D转换，转换后形成数字信号存储到存储器中，再送到FFT处理单元进行快速傅里叶变换，变换后得到的数据再储存到存储器中，再进行一系列相关运算，如：谐波电压含有量、谐波电流含有量、各次谐波电压含有率、各次谐波电流含有率等，最后经VGA进行显示出波形和相关数据。

2 AD73360的配置[3]
2.1 A/D电路设计
　A/D电路如图2所示。A/D电路可分为以下三个部分。

 

 

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3.1 VGA显示原理及时序
　通用VGA显示卡系统主要由控制电路、显示缓存区和视频BIOS程序三个部分组成。控制电路主要完成时序发生、显示缓冲区数据操作、主时钟选择和D／A转换等功能；显示缓冲区提供显示数据缓存空间；视频BIOS作为控制程序固化在显示卡的ROM中。VGA接口为显示器提供两类信号，一类是数据信号，一类是控制信号。数据信号包括红、绿、蓝信号，简称RGB信号，控制信号包括水平同步信号和垂直同步信号。输出不同分辨率时，水平同步信号和垂直同步信号的频率也不同。
　要实现VGA显示就要解决数据来源、数据存储、时序实现等问题，其中关键还是如何实现VGA时序。VGA的标准参考显示时序如图6所示。行时序和帧时序都需要产生同步脉冲、显示后沿、显示时序段和显示前沿四个部分。几种常用模式的时序参数如表1所示。

　本系统集成了前端采集、中间处理和后续显示功能模块，充分利用了FPGA的逻辑资源和NiosII处理器的强大功能，较好地实现了预期目标。与同类系统相比，具有开发时间短、程序可移植性强和成本低等优势。该系统作为电力系统谐波分析系统的一部分，在数据采集及预处理方面已经取得较好的效果，后期将进一步研究基于FPGA内部逻辑结构的FFT实用算法。
参考文献
[1] 肖雁鸿，毛筱，等.电力系统谐波测量方法综述[J].电网技术，2002，26(6)：61-64.
[2] 吴茂存.基于FPGA的电力系统谐波检测[D].济南：山东科技大学，2002.
[3] Analog DevICes，Inc.AD73360 Data Sheet.1999.
[4] 孙国银.AD73360在电量测量系统中的应用[J].中国测试技术，2007，23(2)：70-73.
[5] 潘松.SOPC技术实用教程[M].北京：清华大学出版社2005.
[6] 张志刚.FPGA与SOPC设计教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007

本文关键字：数据采集  DSP/FPGA技术，单片机-工控设备 - DSP/FPGA技术