專利名稱：一種基于sopc的電能諧波測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于SOPC的電能諧波測量裝置，屬于儀器儀表領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前電能諧波測量裝置的實現(xiàn)主要有兩種架構(gòu)，第一類是采用微控制器(MCU)加專用諧波測量芯片，其MCU負責(zé)控制并讀取專用芯片采集并處理的測量結(jié)果，其缺點是諧波測量的功能和精度受制于專用芯片，很難滿足復(fù)雜多變場合的測量要求；第一類是采用數(shù)字信號處理器件(DSP)實現(xiàn)，DSP完成對采集的數(shù)據(jù)進行處理、運算和控制顯示等，其適應(yīng)性和測量精度可根據(jù)需要設(shè)計和調(diào)整，其缺點是當(dāng)被測對象和條件變換時，系統(tǒng)的硬件 和軟件一般都要重新設(shè)計，升級設(shè)計的周期長，成本高。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種基于SOPC的電能諧波測量裝置，以解決目前基于微控制器的諧波測量裝置難以滿足復(fù)雜多變場合的測量要求，以及采用數(shù)字信號處理器的諧波測量裝置升級設(shè)計的周期長，成本高的問題。本實用新型為解決上述技術(shù)問題而提供一種基于SOPC的電能諧波測量裝置，該電能諧波測量裝置包括信號采集電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、SOPC系統(tǒng)平臺和顯示模塊，所述的SOPC系統(tǒng)是在FPGA上構(gòu)建，該SOPC系統(tǒng)包括NiosII軟核CPU、A/D采樣控制模塊、PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊、FIR數(shù)字濾波模塊和FFT運算模塊，PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的控制端相連，F(xiàn)IR數(shù)字濾波模塊的輸入端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連，F(xiàn)IR數(shù)字濾波模塊的輸出端與FFT運算模塊的輸入端相連，F(xiàn)FT運算模塊的輸出端與NiosII軟核CPU的輸入端相連，NiosII軟核CPU的輸出端與顯示模塊相連。所述的SOPC系統(tǒng)上設(shè)置有鍵盤接口，所述的SOPC系統(tǒng)平臺通過該鍵盤接口連有鍵盤。所述的FFT運算模塊為Altera公司的IP運算核。所述的SOPC系統(tǒng)設(shè)置有串口轉(zhuǎn)USB接口，用于與上位機相連。所述SOPC系統(tǒng)中的各個模塊之間是通過Avalon總線相連。本實用新型的有益效果是本實用新型通過用一片F(xiàn)PGA構(gòu)建的SOPC片上系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中集成了 NiosII軟核CPU、PLL數(shù)字鎖相環(huán)同步采樣控制電路、FIR數(shù)字濾波器電路、FFT運算IP核以及其他接口控制模塊，實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波的測量和顯示，運算速度快、通用性強、擴展性好、靈活性強等優(yōu)點，為電能質(zhì)量的綜合治理提供保障。

圖I是本實用新型基于SOPC的電能諧波測量裝置的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實用新型基于SOPC的電能諧波測量裝置的系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)圖；圖3是本實用新型基于SOPC的電能諧波測量裝置的運算處理框架圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步說明。SOPC (System On Programmable Chip)即可編程的片上系統(tǒng)，SOPC技術(shù)就是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速器系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等，在單一 FPGA中實現(xiàn)。Altera公司NiosII軟核概念的提出及SOPC的軟硬件綜合解決方案，可以在Quartus II和NiosIIIDE中進行軟硬件開發(fā)，從硬件和軟件整體設(shè)計上將嵌入式系統(tǒng)設(shè)計進行了極大的推動，使得嵌入式系統(tǒng)的硬件電路更加簡單、有效，易于理解；軟件設(shè)計變得輕松，移植性更強。同時，SOPC技術(shù)的發(fā)展，與ARM、DSP的融合使其具備強大的功能，高集成度、高可靠性、靈活的可重構(gòu)性、強大的并行處理能力等特點使其在工業(yè)技術(shù)、消費電子等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)越來越廣泛的應(yīng)用，基于FPGA設(shè)計高效的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置已成為近年的研究熱點，本實用新型就是研究基于ALTERA CycloneII FPGA構(gòu)建SOPC系統(tǒng)實現(xiàn)電能諧波監(jiān)測裝置。如圖I所示，本實用新型基于SOPC的電能諧波測量裝置包括信號采集電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、SOPC系統(tǒng)平臺和LCD顯示模塊，信號采集電路的輸出端與信號調(diào)理電路的輸入端相連，信號調(diào)理電路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連,A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端與SOPC系統(tǒng)平臺的輸入端相連，SOPC系統(tǒng)平臺的輸出端與顯示模塊相連，其中信號采集電路包括電壓互感器PT和電流互感器CT，A/D轉(zhuǎn)換電路為ADS8364，SOPC系統(tǒng)平臺由EP2C20 FPGA構(gòu)建。SOPC系統(tǒng)平臺如圖2所示，包括NiosII軟核CPU、PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊、FIR數(shù)字濾波模塊和FFT運算模塊，PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的控制端相連，F(xiàn)IR數(shù)字濾波模塊的輸入端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連，F(xiàn)IR數(shù)字濾波模塊的輸出端與FFT運算模塊的輸入端相連，F(xiàn)FT運算模塊的輸出端與NiosII軟核CPU的輸入端相連，NiosII軟核CPU的輸出端與顯示模塊相連。本發(fā)明的基于SOPC的電能諧波測量裝置的具體過程如下，電壓互感器PT和電流互感器CT分別對電網(wǎng)的三相電壓和電流信號同時進行采集，將采集到的-5 +5V電壓信號和I 2mA的電流信號送入信號調(diào)理電路進行調(diào)理，然后再將調(diào)理后的信號送入A/D轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示，A / D轉(zhuǎn)換電路使用16位ADS8364實現(xiàn)對6路信號同時掃描采樣，并利用FPGA構(gòu)建的PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊實現(xiàn)同步采樣控制，A/D轉(zhuǎn)換電路對輸入的工頻信號每周期采樣128點，精確變換成16位的數(shù)字量利用其中一相電壓信號，經(jīng)鎖相倍頻同步電路跟蹤實時的電力線路的工頻頻率，數(shù)字鎖相倍頻信號的輸出控制A/D轉(zhuǎn)換的采樣信號，使A/D電路在一個工頻周期內(nèi)準(zhǔn)確同步地進行6路信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入FIR濾波器中進行濾波，然后將濾波后的數(shù)字存入雙口 RAM中緩存，由Niosll控制器啟動FFT運算模塊從雙口 RAM中讀取數(shù)據(jù)，F(xiàn)FT運算模塊利用快速傅里葉變換(FFT)算法完成128點的6路信號的FFT數(shù)據(jù)處理，同時NiosII從雙口 RAM中讀取數(shù)據(jù)進行諧波計算，以實現(xiàn)對各種參數(shù)的檢測。最后由NiosII控制系統(tǒng)讀取分析結(jié)果，并將分析結(jié)果在LCD上顯示出來，或者通過USB通訊接口傳輸值上位機。
權(quán)利要求1.一種基于SOPC的電能諧波測量裝置，其特征在于該電能諧波測量裝置包括信號采集電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、SOPC系統(tǒng)和顯示模塊，所述的SOPC系統(tǒng)是在FPGA上構(gòu)建，該SOPC系統(tǒng)包括NiosII軟核CPU、A/D采樣控制模塊、PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊、FIR數(shù)字濾波模塊和FFT運算模塊，PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的控制端相連，F(xiàn)IR數(shù)字濾波模塊的輸入端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連，F(xiàn)IR數(shù)字濾波模塊的輸出端與FFT運算模塊的輸入端相連，F(xiàn)FT運算模塊的輸出端與NiosII軟核CPU的輸入端相連，NiosII軟核CPU的輸出端與顯示模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于SOPC的電能諧波測量裝置，其特征在于所述的SOPC系統(tǒng)上設(shè)置有鍵盤接口，所述的SOPC系統(tǒng)平臺通過該鍵盤接口連有鍵盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于SOPC的電能諧波測量裝置，其特征在于所述的FFT運算模塊為Altera公司的IP運算核。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于SOPC的電能諧波測量裝置，其特征在于所述的SOPC系統(tǒng)平臺設(shè)置有串口轉(zhuǎn)USB接口，用于與上位機相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于SOPC的電能諧波測量裝置，其特征在于所述SOPC系統(tǒng)中的各個模塊之間是通過Avalon總線相連。
專利摘要本實用新型涉及一種基于SOPC電能諧波測量裝置，屬于儀器儀表領(lǐng)域。該電能諧波測量裝置包括信號采集電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、SOPC系統(tǒng)平臺和顯示模塊，所述的SOPC系統(tǒng)平臺包括NiosII軟核CPU、A/D采樣控制模塊、PLL數(shù)字鎖相環(huán)模塊、FIR數(shù)字濾波模塊和FFT運算模塊。本實用新型通過用一片F(xiàn)PGA構(gòu)建的SOPC片上系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中集成了NiosII軟核CPU、PLL數(shù)字鎖相環(huán)同步采樣控制電路、FIR數(shù)字濾波器電路、FFT運算IP核以及其他接口控制模塊，實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波的測量和顯示，具有運算速度快、通用性強、擴展性好、靈活性強等優(yōu)點，為電能質(zhì)量的綜合治理提供保障。
文檔編號G01R23/165GK202486213SQ20122012880
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者仝戰(zhàn)營, 張開拓, 戚新波, 蔣煒華, 郭貝貝 申請人:河南機電高等專科學(xué)校