基于dsp與fpga的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括電流傳感器、電壓傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)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(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊相連，所述電壓傳感器與變頻電源相連，其信號(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊相連，信號(hào)調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊、微處理器、通信模塊相連。本實(shí)用新型能夠?qū)ψ冾l電源電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高，充分發(fā)揮了微處理器DSP的運(yùn)算能力，極大地提高了測(cè)量的實(shí)時(shí)性，并且操作簡(jiǎn)便，具有非常好的直觀性。
【專利說(shuō)明】基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，大量非線性的開(kāi)關(guān)設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，交流變頻電源為一種經(jīng)典的電力電子設(shè)備，一直受到人們的關(guān)注，是目前最具發(fā)展前景的一項(xiàng)高科技含量的產(chǎn)品。交流變頻電源采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，以其低功耗、高效率等優(yōu)點(diǎn)被當(dāng)做標(biāo)準(zhǔn)電源廣泛地應(yīng)用于電氣拖動(dòng)、電力機(jī)車、電機(jī)、電力電子實(shí)驗(yàn)室、不間斷電源、家用電器等領(lǐng)域。
[0003]交流變頻電源作為一種電力電子開(kāi)關(guān)設(shè)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(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在許多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。大量變頻電源被應(yīng)用于電機(jī)拖動(dòng)與控制，由于半導(dǎo)體器件以開(kāi)關(guān)方式工作，不可避免地產(chǎn)生畸變電壓和電流，諧波影響電機(jī)的正常工作，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗同時(shí)使電機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱、振動(dòng)、過(guò)電壓等現(xiàn)象，變頻電源的性能直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時(shí)高頻噪聲會(huì)對(duì)周圍的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生誤動(dòng)作或停機(jī)而造成嚴(yán)重后果。為了減少變頻電源產(chǎn)生的諧波對(duì)電力系統(tǒng)的污染以及對(duì)用電設(shè)備的危害，必須對(duì)變頻電源進(jìn)行深入的分析，因此對(duì)變頻電源的電參數(shù)做科學(xué)的研究是十分必要的。
[0004]傳統(tǒng)的交流電工測(cè)量?jī)x器大都是以正弦波和工頻信號(hào)為基礎(chǔ)的，而且以往的電參數(shù)測(cè)量?jī)x器大都是以8051等單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采樣點(diǎn)數(shù)少，精度不高，無(wú)法進(jìn)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(nèi)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(jié)果。因此，研究一種適用于變頻電源的多功能測(cè)量設(shè)備變得迫切，變頻電源的諧波檢測(cè)對(duì)于諧波抑制也有著積極的意義，對(duì)于其它的電源設(shè)備也有著普遍意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是:一種基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括電流傳感器、電壓傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)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(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊相連，將采集到的電流信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊，所述電壓傳感器與變頻電源相連，其信號(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊相連，將采集到的電壓信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，電流、電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊濾波、整形后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)測(cè)量系統(tǒng)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(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊與微處理器之間設(shè)有雙口 RAM模塊。
[0009]上述基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)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(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，所述A/D轉(zhuǎn)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(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，所述通信模塊的主芯片采用CY7C68013。
[0012]本實(shí)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(hào)，電流、電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊濾波、整形后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入微處理器，微處理器將結(jié)果在顯示模塊中顯示出來(lái)并經(jīng)通信模塊送到上位機(jī)，本實(shí)用新型能夠?qū)ψ冾l電源電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高，充分發(fā)揮了微處理器DSP的運(yùn)算能力，極大地提高了測(cè)量的實(shí)時(shí)性，并且操作簡(jiǎn)便，具有非常好的直觀性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
[0014]圖2為本實(shí)用新型雙口 RAM模塊主芯片的連接示意圖。
[0015]圖3為本實(shí)用新型A/D轉(zhuǎn)換模塊主芯片的連接示意圖。
[0016]圖4為本實(shí)用新型通信模塊主芯片的連接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0018]如圖1所示，本實(shí)用新型包括電流傳感器、電壓傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)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(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊相連，所述電壓傳感器與變頻電源相連，其信號(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊相連，信號(hào)調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊、微處理器、雙口 RAM模塊、通信模塊相連。
[0019]本實(shí)用新型的微處理器采用DSP，DSP是數(shù)字信號(hào)處理器(Digital SignalProcessor)的簡(jiǎn)稱。DSP芯片型號(hào)為T(mén)MS320F2812。TMS320F2812的運(yùn)算速度高達(dá)150MIPS，是工業(yè)界第一款32位面向自動(dòng)化控制的含有片內(nèi)Flash并且含有專用乘法電路的DSP。TMS320F2812主要硬件特點(diǎn)是:芯片采用高性能的CMOS技術(shù)，32位CPU主頻高達(dá)150MHz，時(shí)鐘周期為6.67ns。采用低功耗設(shè)計(jì)，當(dāng)內(nèi)核電壓為1.8V時(shí)，主頻為135MHz ;當(dāng)內(nèi)核電壓為1.9V時(shí)，主頻為150MHz。I/O引腳電壓為3.3V。共可產(chǎn)生4路獨(dú)立的PWM波形和6對(duì)12路互補(bǔ)的PWM波形，16通道12位ADC。
[0020]雙口 RAM模塊是A/D轉(zhuǎn)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(dú)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(shù)據(jù)線(DL[0:15],DR[0:15])，雙口芯片IDT70V28是以外擴(kuò)RAM的形式連接在DSP TMS320F2812上面的。
[0021]A/D轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓，以在內(nèi)部產(chǎn)生4.5V片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，也允許施加一個(gè)2.5V外部基準(zhǔn)電壓，所施加的
2.5V外部基準(zhǔn)電壓也會(huì)被內(nèi)部緩沖放大至4.5V。REF_SELECT引腳是一個(gè)邏輯輸入引腳，允許用戶選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓或外部基準(zhǔn)電壓。如果此引腳設(shè)為高電平，則選擇并使能內(nèi)部基準(zhǔn)電壓模式。如果此引腳為邏輯低電平，則內(nèi)部基準(zhǔn)電壓禁用，必須將外部基準(zhǔn)電壓施加到REFIN/REF0UT引腳。無(wú)論使用內(nèi)部還是外部基準(zhǔn)電壓，都需要對(duì)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(lái)控制AD采樣的轉(zhuǎn)換過(guò)程，它的內(nèi)部含有振蕩器可以只用一個(gè)采樣時(shí)序脈沖便最多產(chǎn)生8路采樣保持的功能，它一共包含2個(gè)CONVST引腳，可以將2個(gè)引腳短接從而控制8個(gè)模擬的采樣，在不短接的情況下分成兩組，每組控制4個(gè)模擬輸入通道；它具有過(guò)采樣的功能，通過(guò)選擇過(guò)采樣模式可以進(jìn)一步加強(qiáng)芯片的抗噪聲性能，這相當(dāng)于該芯片內(nèi)部含有濾波器的功能。芯片內(nèi)部含有低壓差穩(wěn)壓器，接通電源后能發(fā)出2.5V基準(zhǔn)電壓；AD7606芯片的這些集成功能，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
[0022]本實(shí)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(guò)外擴(kuò)內(nèi)存來(lái)加大存儲(chǔ)空間，另外它的兩個(gè)串口可用來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)起來(lái)較為復(fù)雜；還一種是56引腳的，這一種芯片的突出優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，而缺點(diǎn)則是不能外擴(kuò)存儲(chǔ)器，也不能支持在線仿真，其它的功能引腳很少。本實(shí)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(fù)用引腳，可設(shè)置為GPIF數(shù)據(jù)線的低八位FD[0 ]~FD[7] ； PD0~PD7端口 D，復(fù)用引腳，可設(shè)置為GPIF數(shù)據(jù)線的高八位FD[8rFD[15];讀寫(xiě)信號(hào)SLRD和SLWR以及狀態(tài)標(biāo)志引腳FLAGA、FLAGB, FLAGC由FPGA控制，引腳FLAGA~FLAGC用來(lái)定義端點(diǎn)FIFO的狀態(tài)，圖中的FIF0_prog表示FIFO可編程，F(xiàn)IF0_full表示FIFO已滿，F(xiàn)IF0_empty表示FIFO已空；ΡΑ0-ΡΑ7端口 Α，復(fù)用引腳。ΡΒ0-ΡΒ7與PD(TPD7合起來(lái)，通過(guò)相應(yīng)的內(nèi)部寄存器控制，可以作為16位數(shù)據(jù)總線，然后與DSP的數(shù)據(jù)總線相連；FLAGA、FLAGB, FLAGC三個(gè)FIFO的狀態(tài)標(biāo)志位與FPGA自定義引腳相連，F(xiàn)PGA通過(guò)這三個(gè)USB的FIFO狀態(tài)位與讀寫(xiě)信號(hào)SLRD和SLWR來(lái)控制USB CY7C68013的傳輸。USB D+和USB D-是USB的數(shù)據(jù)線，USB D+與USB D-通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與上位機(jī)的USB端口相連。
[0023]FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是作為專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)不但解決了定制電路的不能自定義的缺點(diǎn)，而且又解決了舊一代可編程器件產(chǎn)品中門(mén)電路數(shù)有限的問(wèn)題，同時(shí)它也是介于通用器件和真正ASIC之間的一個(gè)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(gè)邏輯單元，內(nèi)置4K RAM，2個(gè)鎖相環(huán)以及18個(gè)乘法器模塊。測(cè)量系統(tǒng)中使用50M的片外有源晶振作為EP2C8Q208的工作時(shí)鐘，其內(nèi)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(guò)自定義引腳與AD7606和IDT70V28的控制引腳相連，同時(shí)也與DSP2812通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線相連。FPGA主要完成三個(gè)方面的功能:首先是產(chǎn)生AD7606和用于計(jì)數(shù)的基數(shù)時(shí)鐘，用于控制AD7606的采樣率；第二個(gè)功能是控制雙口 RAM模塊的讀寫(xiě)時(shí)序；第三個(gè)功能是控制通信模塊芯片CY7C68013。
[0024]本實(shí)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(hào)，電流、電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊濾波、整形后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后將數(shù)字信號(hào)送入雙口 RAM模塊中，雙口 RAM模塊將數(shù)字信號(hào)送入微處理器，微處理器將結(jié)果在顯示模塊中顯示出來(lái)并經(jīng)通信模塊送到上位機(jī)，本實(shí)用新型能夠?qū)ψ冾l電源電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高，充分發(fā)揮了微處理器DSP的運(yùn)算能力，極大地提高了測(cè)量的實(shí)時(shí)性，并且操作簡(jiǎn)便，具有非常好的直觀性。
【權(quán)利要求】
1.一種基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括電流傳感器、電壓傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)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(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊相連，將采集到的電流信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊，所述電壓傳感器與變頻電源相連，其信號(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊相連，將采集到的電壓信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，電流、電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊濾波、整形后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊、微處理器、通信模塊相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，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(quán)利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述A/D轉(zhuǎn)換模塊與微處理器之間設(shè)有雙口 RAM模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述微處理器的主芯片采用TMS320F2812。
5.如權(quán)利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的主芯片采用AD7606。
6.如權(quán)利要求1所述的基于DSP與FPGA的變頻電源電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述通信模塊的主芯片采用CY7C68013。
【文檔編號(hào)】G01R31/42GK203732702SQ201420090406
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】羅小麗 申請(qǐng)人:湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院