基于dsp與fpga的變頻電源電參數測量系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統，包括電流傳感器、電壓傳感器、信號調理模塊、A/D轉換模塊、FPGA、微處理器以及通信模塊，所述電流傳感器與變頻電源相連，其信號輸出端與信號調理模塊相連，所述電壓傳感器與變頻電源相連，其信號輸出端與信號調理模塊相連，信號調理模塊與A/D轉換模塊相連，A/D轉換模塊與微處理器相連，所述微處理器與通信模塊相連，所述FPGA分別與A/D轉換模塊、微處理器、通信模塊相連。本實用新型能夠對變頻電源電參數進行測量，測量精度高，充分發(fā)揮了微處理器DSP的運算能力，極大地提高了測量的實時性，并且操作簡便，具有非常好的直觀性。
【專利說明】基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統。
【背景技術】
[0002]近半個世紀以來，電力電子技術迅速發(fā)展，大量非線性的開關設備在工業(yè)領域中的應用也越來越普遍，交流變頻電源為一種經典的電力電子設備，一直受到人們的關注，是目前最具發(fā)展前景的一項高科技含量的產品。交流變頻電源采用PWM脈寬調制技術，以其低功耗、高效率等優(yōu)點被當做標準電源廣泛地應用于電氣拖動、電力機車、電機、電力電子實驗室、不間斷電源、家用電器等領域。
[0003]交流變頻電源作為一種電力電子開關設備，它的輸出電壓、電流含有不可忽視的諧波。變頻電源是交流調速系統的關鍵設備，在許多工業(yè)領域得到廣泛的應用。大量變頻電源被應用于電機拖動與控制，由于半導體器件以開關方式工作，不可避免地產生畸變電壓和電流，諧波影響電機的正常工作，對電機產生附加功率損耗同時使電機產生發(fā)熱、振動、過電壓等現象，變頻電源的性能直接關系到整個系統的可靠性和安全性，同時高頻噪聲會對周圍的電氣設備產生干擾，嚴重時可能產生誤動作或停機而造成嚴重后果。為了減少變頻電源產生的諧波對電力系統的污染以及對用電設備的危害，必須對變頻電源進行深入的分析，因此對變頻電源的電參數做科學的研究是十分必要的。
[0004]傳統的交流電工測量儀器大都是以正弦波和工頻信號為基礎的，而且以往的電參數測量儀器大都是以8051等單片機來實現的，采樣點數少，精度不高，無法進行高速采集。由于變頻電源的輸出頻率是可以在一定的范圍內變化的，所以要保持變頻電源整周期采樣控制很困難，只有采用一定的非同步算法，才能得到較為精確的結果。因此，研究一種適用于變頻電源的多功能測量設備變得迫切，變頻電源的諧波檢測對于諧波抑制也有著積極的意義，對于其它的電源設備也有著普遍意義。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種結構簡單、測量精度高的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統。
[0006]本實用新型解決上述問題的技術方案是:一種基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統，包括電流傳感器、電壓傳感器、信號調理模塊、A/D轉換模塊、FPGA、微處理器以及通信模塊，所述電流傳感器與變頻電源相連，其信號輸出端與信號調理模塊相連，將采集到的電流信號送入信號調理模塊，所述電壓傳感器與變頻電源相連，其信號輸出端與信號調理模塊相連，將采集到的電壓信號送入信號調理模塊，信號調理模塊與A/D轉換模塊相連，電流、電壓信號經信號調理模塊濾波、整形后送入A/D轉換模塊，A/D轉換模塊與微處理器相連，所述微處理器與通信模塊相連，所述FPGA分別與A/D轉換模塊、微處理器、通信模塊相連。
[0007]上述基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統還包括顯示模塊,所述顯示模塊與微處理器相連。
[0008]上述基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統中，所述A/D轉換模塊與微處理器之間設有雙口 RAM模塊。
[0009]上述基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統中，所述微處理器的主芯片采用TMS320F2812。
[0010]上述基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統中，所述A/D轉換模塊的主芯片采用 AD7606。
[0011 ] 上述基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統中，所述通信模塊的主芯片采用CY7C68013。
[0012]本實用新型的有益效果在于:電流傳感器、電壓傳感器采集變頻電源的電流、電壓信號，電流、電壓信號經信號調理模塊濾波、整形后送入A/D轉換模塊，A/D轉換模塊將轉換后的數字信號送入微處理器，微處理器將結果在顯示模塊中顯示出來并經通信模塊送到上位機，本實用新型能夠對變頻電源電參數進行測量，測量精度高，充分發(fā)揮了微處理器DSP的運算能力，極大地提高了測量的實時性，并且操作簡便，具有非常好的直觀性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型的結構框圖。
[0014]圖2為本實用新型雙口 RAM模塊主芯片的連接示意圖。
[0015]圖3為本實用新型A/D轉換模塊主芯片的連接示意圖。
[0016]圖4為本實用新型通信模塊主芯片的連接示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0018]如圖1所示，本實用新型包括電流傳感器、電壓傳感器、信號調理模塊、A/D轉換模塊、雙口 RAM模塊、FPGA、微處理器、顯示模塊以及通信模塊，所述電流傳感器與變頻電源相連，其信號輸出端與信號調理模塊相連，所述電壓傳感器與變頻電源相連，其信號輸出端與信號調理模塊相連，信號調理模塊與A/D轉換模塊相連，A/D轉換模塊與雙口 RAM模塊相連，雙口 RAM模塊與微處理器相連，所述微處理器與通信模塊、顯示模塊相連，所述FPGA分別與A/D轉換模塊、微處理器、雙口 RAM模塊、通信模塊相連。
[0019]本實用新型的微處理器采用DSP，DSP是數字信號處理器(Digital SignalProcessor)的簡稱。DSP芯片型號為TMS320F2812。TMS320F2812的運算速度高達150MIPS，是工業(yè)界第一款32位面向自動化控制的含有片內Flash并且含有專用乘法電路的DSP。TMS320F2812主要硬件特點是:芯片采用高性能的CMOS技術，32位CPU主頻高達150MHz，時鐘周期為6.67ns。采用低功耗設計，當內核電壓為1.8V時，主頻為135MHz ;當內核電壓為1.9V時，主頻為150MHz。I/O引腳電壓為3.3V。共可產生4路獨立的PWM波形和6對12路互補的PWM波形，16通道12位ADC。
[0020]雙口 RAM模塊是A/D轉換模塊與微處理器的緩沖模塊，雙口 RAM模塊采用IDT公司64KX16bit的雙口芯片IDT70V28。如圖2所示，芯片IDT70V28具有兩套互相獨立的控制線(OEL、OER、R/WL、R/WR、CEL、CER、INTL)、地址線(AL[0:15]、AR[0:15])和數據線(DL[0:15],DR[0:15])，雙口芯片IDT70V28是以外擴RAM的形式連接在DSP TMS320F2812上面的。
[0021]A/D轉換模塊的芯片采用Analog Device公司的AD7606，AD7606是一種高速、低功耗的芯片；它具有8通道支持同步采樣，采樣值具有16位精度；它具有±10 V和±5 V雙模數轉換器能真正的支持交流采樣。如圖3所示，REFIN/REF0UT引腳既可以使用2.5V基準電壓，以在內部產生4.5V片內基準電壓，也允許施加一個2.5V外部基準電壓，所施加的
2.5V外部基準電壓也會被內部緩沖放大至4.5V。REF_SELECT引腳是一個邏輯輸入引腳，允許用戶選擇內部基準電壓或外部基準電壓。如果此引腳設為高電平，則選擇并使能內部基準電壓模式。如果此引腳為邏輯低電平，則內部基準電壓禁用，必須將外部基準電壓施加到REFIN/REF0UT引腳。無論使用內部還是外部基準電壓，都需要對REFIN/REF0UT引腳去耦。REFIN/REF0UT引腳需要10 μ F陶瓷電容去耦。CONVST引腳用來控制AD采樣的轉換過程，它的內部含有振蕩器可以只用一個采樣時序脈沖便最多產生8路采樣保持的功能，它一共包含2個CONVST引腳，可以將2個引腳短接從而控制8個模擬的采樣，在不短接的情況下分成兩組，每組控制4個模擬輸入通道；它具有過采樣的功能，通過選擇過采樣模式可以進一步加強芯片的抗噪聲性能，這相當于該芯片內部含有濾波器的功能。芯片內部含有低壓差穩(wěn)壓器，接通電源后能發(fā)出2.5V基準電壓；AD7606芯片的這些集成功能，大大簡化了數據采集系統的設計。
[0022]本實用新型的通信模塊采用CY7C68013芯片。CY7C68013芯片它有2種類型:一種是128引腳的，這種芯片功能很多，它可以通過外擴內存來加大存儲空間，另外它的兩個串口可用來實現與其他MCU通信，并且能夠支持在線仿真，其它功能引腳也比較多，但是設計起來較為復雜；還一種是56引腳的，這一種芯片的突出優(yōu)點是設計簡單，價格便宜，而缺點則是不能外擴存儲器，也不能支持在線仿真，其它的功能引腳很少。本實用新型選用56引腳的CY7C68013-56，如圖4所示，其主要引腳如下:ΕΡΒ0-ΡΒ7端口 B，復用引腳，可設置為GPIF數據線的低八位FD[0 ]~FD[7] ； PD0~PD7端口 D，復用引腳，可設置為GPIF數據線的高八位FD[8rFD[15];讀寫信號SLRD和SLWR以及狀態(tài)標志引腳FLAGA、FLAGB, FLAGC由FPGA控制，引腳FLAGA~FLAGC用來定義端點FIFO的狀態(tài)，圖中的FIF0_prog表示FIFO可編程，FIF0_full表示FIFO已滿，FIF0_empty表示FIFO已空；ΡΑ0-ΡΑ7端口 Α，復用引腳。ΡΒ0-ΡΒ7與PD(TPD7合起來，通過相應的內部寄存器控制，可以作為16位數據總線，然后與DSP的數據總線相連；FLAGA、FLAGB, FLAGC三個FIFO的狀態(tài)標志位與FPGA自定義引腳相連，FPGA通過這三個USB的FIFO狀態(tài)位與讀寫信號SLRD和SLWR來控制USB CY7C68013的傳輸。USB D+和USB D-是USB的數據線，USB D+與USB D-通過USB數據線與上位機的USB端口相連。
[0023]FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，它是作為專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)領域中的一種半定制電路出現的，它的出現不但解決了定制電路的不能自定義的缺點，而且又解決了舊一代可編程器件產品中門電路數有限的問題，同時它也是介于通用器件和真正ASIC之間的一個寬闊中間帶，給各類用戶提供了極大地方便。FPGA采用EP2C8Q208芯片。它具有8256個邏輯單元，內置4K RAM，2個鎖相環(huán)以及18個乘法器模塊。測量系統中使用50M的片外有源晶振作為EP2C8Q208的工作時鐘，其內核工作電壓為1.2V，可提供2.5V、3.3V等邏輯電壓，方便與DSP等其他芯片連接。EP2C8Q208通過自定義引腳與AD7606和IDT70V28的控制引腳相連，同時也與DSP2812通過數據總線和地址總線相連。FPGA主要完成三個方面的功能:首先是產生AD7606和用于計數的基數時鐘，用于控制AD7606的采樣率；第二個功能是控制雙口 RAM模塊的讀寫時序；第三個功能是控制通信模塊芯片CY7C68013。
[0024]本實用新型的工作原理如下:電流傳感器、電壓傳感器采集變頻電源的電流、電壓信號，電流、電壓信號經信號調理模塊濾波、整形后送入A/D轉換模塊，A/D轉換模塊將模擬信號轉換為數字信號后將數字信號送入雙口 RAM模塊中，雙口 RAM模塊將數字信號送入微處理器，微處理器將結果在顯示模塊中顯示出來并經通信模塊送到上位機，本實用新型能夠對變頻電源電參數進行測量，測量精度高，充分發(fā)揮了微處理器DSP的運算能力，極大地提高了測量的實時性，并且操作簡便，具有非常好的直觀性。
【權利要求】
1.一種基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統，其特征在于:包括電流傳感器、電壓傳感器、信號調理模塊、A/D轉換模塊、FPGA、微處理器以及通信模塊，所述電流傳感器與變頻電源相連，其信號輸出端與信號調理模塊相連，將采集到的電流信號送入信號調理模塊，所述電壓傳感器與變頻電源相連，其信號輸出端與信號調理模塊相連，將采集到的電壓信號送入信號調理模塊，信號調理模塊與A/D轉換模塊相連，電流、電壓信號經信號調理模塊濾波、整形后送入A/D轉換模塊，A/D轉換模塊與微處理器相連，所述微處理器與通信模塊相連，所述FPGA分別與A/D轉換模塊、微處理器、通信模塊相連。
2.如權利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統，其特征在于:還包括顯示模塊，所述顯示模塊與微處理器相連。
3.如權利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統，其特征在于:所述A/D轉換模塊與微處理器之間設有雙口 RAM模塊。
4.如權利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統，其特征在于:所述微處理器的主芯片采用TMS320F2812。
5.如權利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統，其特征在于:所述A/D轉換模塊的主芯片采用AD7606。
6.如權利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數測量系統，其特征在于:所述通信模塊的主芯片采用CY7C68013。
【文檔編號】G01R31/42GK203732702SQ201420090406
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權日:2014年2月28日
【發(fā)明者】羅小麗 申請人:湖南電氣職業(yè)技術學院