一種基于arm和fpga的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，屬于電力品質(zhì)檢測【技術領域】。本實用新型的系統(tǒng)包括電壓互感器、電流互感器、信號調(diào)理與濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述的電壓互感器和電流互感器與電網(wǎng)連接，該電壓互感器和電流互感器的輸出端和信號調(diào)理與濾波模塊相連，所述的信號調(diào)理與濾波模塊的輸出端和A/D轉(zhuǎn)換模塊相連；還包括FPGA模塊、ARM模塊、顯示模塊、存儲模塊、通信模塊和鍵盤模塊；FPGA模塊的輸入端與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，F(xiàn)PGA模塊的I/O端與ARM模塊相連；顯示模塊、存儲模塊、通信模塊和鍵盤模塊均與ARM模塊相連。本實用新型的系統(tǒng)能快速、高精度、高可靠性地檢測和分析電能質(zhì)量。
【專利說明】-種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及電力品質(zhì)檢測【技術領域】，更具體地說，涉及一種基于ARM和FPGA 的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 近年來隨著電力電子技術的廣泛應用，尤其是高壓直流輸電系統(tǒng)的應用和大量變 頻器、整流器、電弧爐等非線性負荷、沖擊性負荷不斷地引入電力系統(tǒng)，大量諧波電流注入 電網(wǎng)，造成電力系統(tǒng)中諧波含量急劇上升和電壓波形嚴重"畸變"，致使電能質(zhì)量下降。降低 了電網(wǎng)可靠性，增加了電網(wǎng)損失，降低了電氣設備的效率和利用率，在生產(chǎn)和生活中都造成 巨大的經(jīng)濟損失。電能質(zhì)量的好壞直接關系國民經(jīng)濟的總體效益，故對電網(wǎng)諧波進行監(jiān)測 與分析從而提高和改善電能質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003] 隨著電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量問題監(jiān)測和分析的實時性、對數(shù)據(jù)量和計算的要求不斷 提高，由于單片機的軟硬件受限因素較多，工作頻率較低，因此難以滿足電能質(zhì)量分析儀的 要求，致使電力系統(tǒng)的高精度測量、實時監(jiān)控和先進算法的運用受到了限制，而且有的產(chǎn)品 無通訊和控制輸出功能，不能滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡化、自動化的發(fā)展方向。
[0004] FFT (快速傅立葉變換）算法是一種DFT (離散傅立葉變換）的高效算法，運用于電 能質(zhì)量分析中，將采集到的某相電壓和電流信號應用FFT算法，就可以得到信號的頻譜，再 做進一步的處理可得到該相電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率及視在功率和各 次諧波的信息。將FFT算法運用于電能質(zhì)量分析能夠大幅度加快數(shù)據(jù)運算過程及減少運算 量。而目前市場上廣泛使用的電能質(zhì)量分析儀多基于DSP內(nèi)核，DSP芯片是采用哈佛結(jié)構(gòu) 設計的一種CPU，其順序執(zhí)行的模式限制了進行FFT運算的速度。
[0005] 經(jīng)檢索，關于電能質(zhì)量檢測已有技術方案公開。如中國專利申請?zhí)?200820084142.0,申請日為2008年3月21日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：便攜式電力品質(zhì)監(jiān)測儀，該 申請案包括信號傳感調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊、DSP系統(tǒng)和ARM嵌入式系統(tǒng)，所述信 號傳感調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊和FPGA模塊的輸出端均通過雙口 RAM連接到DSP系統(tǒng)的輸入 端，DSP系統(tǒng)的輸出端連接有ARM嵌入式系統(tǒng)。該申請案采用FPGA+DSP+ARM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 采用FPGA純硬件實現(xiàn)電力品質(zhì)監(jiān)測需要的多通道高速數(shù)據(jù)采集，并利用了 DSP在高速數(shù)字 計算上的優(yōu)點，采用FFT、連續(xù)小波變換和自適應濾波相結(jié)合的方法，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電力 品質(zhì)參數(shù)的高精度分析計算。
[0006] 又如中國專利號ZL201220405616. 3,授權(quán)公告日為2013年3月13日，發(fā)明創(chuàng)造名 稱為：一種基于FPGA處理器和ARM處理器的風電質(zhì)量檢測裝置，該申請案包括電壓互感器 和電流互感器與抗混疊濾波器連接，抗混疊濾波器與鎖相倍頻模塊和A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D 轉(zhuǎn)換器與FPGA處理器連接，F(xiàn)PGA處理器與FLASH1、SDRAM1和ARM處理器連接，ARM處理器 和GPRS模塊、以太網(wǎng)接口、復位模塊、顯示模塊、FLASH2、SDRAM2、SD存儲卡和鍵盤模塊連 接。該申請案能夠?qū)崟r檢測電網(wǎng)各個點的電能質(zhì)量情況，并通過GPRS無線網(wǎng)絡將采集到的 數(shù)據(jù)傳送給上位機，如電網(wǎng)出現(xiàn)故障，以便工作人員根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)對電網(wǎng)故障點進行確 定和故障排除。上述申請案雖均能完成電能質(zhì)量的檢測與分析，但上述申請案的結(jié)構(gòu)設計 復雜，制造成本高，仍需進一步改進。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 1.實用新型要解決的技術問題
[0008] 本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有電能質(zhì)量分析裝置存在的：1)對電能質(zhì)量問題 的監(jiān)測、分析實時性差，測量精度不高；2)先進算法的運用受限的不足，提供了一種基于 ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，本實用新型構(gòu)建了一個以ARM和FPGA為核心的系統(tǒng)， FPGA可實現(xiàn)基于硬件的并行運算，在計算速度方面比DSP更具優(yōu)勢，且配置靈活、內(nèi)部程序 能并行運行，能較好地滿足FFT算法的要求；而ARM在控制、事務管理及通信能力方面相對 于其它器件有較大的優(yōu)勢，本實用新型提供的技術方案應用于電能質(zhì)量分析中，對待測電 網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測實時性和精度高，便于對癥下藥改善電能質(zhì)量。
[0009] 2.技術方案
[0010] 為達到上述目的，本實用新型提供的技術方案為：
[0011] 本實用新型的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，包括電壓互感器、電流 互感器、信號調(diào)理與濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述的電壓互感器和電流互感器與電網(wǎng)連接， 該電壓互感器和電流互感器的輸出端和信號調(diào)理與濾波模塊相連，所述的信號調(diào)理與濾波 模塊的輸出端和A/D轉(zhuǎn)換模塊相連；電壓互感器和電流互感器將電網(wǎng)的電壓和電流轉(zhuǎn)換成 弱電模擬信號后經(jīng)信號調(diào)理與濾波模塊輸送給A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將接收的模擬 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；還包括FPGA模塊、ARM模塊、顯示模塊、存儲模塊、通信模塊和鍵盤模 塊；所述的FPGA模塊采用型號為EP3C16F484C6的FPGA芯片，該FPGA模塊的輸入端與A/D 轉(zhuǎn)換模塊相連，F(xiàn)PGA模塊的I/O端與ARM模塊相連；所述的ARM模塊采用型號為STM32F103 的ARM微控制器，所述的顯示模塊、存儲模塊、通信模塊和鍵盤模塊均與ARM模塊相連，所述 的存儲模塊采用雙口靜態(tài)存儲器。
[0012] 更進一步地，電能質(zhì)量分析系統(tǒng)還包括電源模塊，該電源模塊采用24V開關電源 供電。
[0013] 更進一步地，所述的電源模塊包括兩級降壓穩(wěn)壓電路，前一級電路將24V電壓轉(zhuǎn) 變?yōu)?V電壓，后一級電路將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?. 3V電壓；所述的顯示模塊和存儲模塊采用5V 供電，所述的FPGA模塊和ARM模塊采用3. 3V供電。
[0014] 更進一步地，所述的顯示模塊采用型號為MZTH43V10的彩色點陣液晶顯示模塊。
[0015] 3.有益效果
[0016] 采用本實用新型提供的技術方案，與已有的公知技術相比，具有如下有益效果：
[0017] (1)本實用新型的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，其FPGA模塊采用型 號為EP3C16F484C6的FPGA芯片，可實現(xiàn)基于硬件的并行運算，對采集的實時電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行 快速的分析和處理，在計算速度方面比DSP更具優(yōu)勢，配置靈活、內(nèi)部程序能并行運行，能 較好地滿足FFT算法的要求；
[0018] (2)本實用新型的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，其ARM模塊采用型 號為STM32F103的微控制器，STM32F103微控制器具有基于32位ARM Cortex-M3架構(gòu)的內(nèi) 核，計算能力遠超一般的單片機；且STM32F103微控制器內(nèi)部存儲器的可擴展性及與其它 設備的通信性能也優(yōu)于一般的單片機，STM32F103微控制器和EP3C16F484C6芯片的配合使 用確保了對電能質(zhì)量的檢測實時、快速準確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為本實用新型的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0020] 圖2為本實用新型中STM32F103微控制器的外部連接示意圖；
[0021] 圖3為本實用新型中5V降壓穩(wěn)壓電路；
[0022] 圖4為本實用新型中3. 3V降壓穩(wěn)壓電路。
【具體實施方式】
[0023] 為進一步了解本實用新型的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作詳細描述。
[0024] 實施例1
[0025] 結(jié)合附圖，本實施例的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)（參看圖1)，包 括電壓互感器、電流互感器、信號調(diào)理與濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述的電壓互感器和電流 互感器與電網(wǎng)連接，該電壓互感器和電流互感器的輸出端和信號調(diào)理與濾波模塊相連，所 述的信號調(diào)理與濾波模塊的輸出端和A/D轉(zhuǎn)換模塊相連；電壓互感器和電流互感器將電網(wǎng) 的電壓和電流轉(zhuǎn)換成弱電模擬信號后經(jīng)信號調(diào)理與濾波模塊輸送給A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn) 換模塊將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
[0026] 本實施例的系統(tǒng)還包括FPGA模塊、ARM模塊、顯示模塊、存儲模塊、通信模塊、鍵盤 模塊和電源模塊。FPGA模塊的輸入端與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，用于接收A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入的數(shù) 字信號，F(xiàn)PGA模塊的I/O端與ARM模塊相連?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)在近年來獲得了突飛猛進的發(fā)展，目前已成為實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化的主流平 臺之一。與DSP相比，F(xiàn)PGA優(yōu)勢在于能夠進行并行計算。在進行FFT這類并行運算為主的 算法時，采用FPGA的好處不言而喻。為了縮短開發(fā)周期，降低設計風險和資金投入，本實施 例的FPGA模塊采用Altera公司生產(chǎn)的型號為EP3C16F484C6的FPGA芯片，Altera公司基 于該FPGA芯片推出了 IP模塊庫，提供了 FFT算法的多種可選的計算參數(shù)、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)輸入 輸出流的順序方式，以方便靈活地實現(xiàn)FFT算法。
[0027] 本實施例的ARM模塊采用型號為STM32F103的微控制器，STM32F103微控制器具 有基于32位ARM Cortex-M3架構(gòu)的內(nèi)核，最高能工作到72MHz且含有單周期乘法和硬件除 法，計算能力遠超一般的單片機。另外STM32F103微控制器內(nèi)有512K閃存程序存儲器和 64KSRAM且?guī)в徐o態(tài)存儲器控制器和多個通信接口，如I2C、UART、SPI、CAN、USB等，存儲器 可擴展性及與其它設備的通信性能也優(yōu)于一般的單片機，同時STM32F103微控制器還帶有 3個12位AD轉(zhuǎn)換器，在計算能力和存儲容量上都具有良好的性能，性價比高，控制能力強， 可擴展性好。
[0028] STM32F103微控制器是整個系統(tǒng)的控制核心，所述的顯示模塊、存儲模塊、通信模 塊和鍵盤模塊均與STM32F103微控制器相連。STM32F103微控制器主要完成以下任務（參 看圖3):
[0029] (1)利用3路12位ADC對調(diào)理濾波后的三相電壓、電流信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因為有 6個模擬量要通過3路ADC進行采集，所以需要對信號進行分組分時采集，本實施例微控制 器可控制3路ADC在1 μ S內(nèi)實現(xiàn)一次并行轉(zhuǎn)換，分時采集方案既節(jié)省資源又能滿足系統(tǒng)要 求；
[0030] (2)微控制器利用內(nèi)部的IXD并行控制接口（IXD Parallel IF)連接并控制IXD 顯示模塊；
[0031] (3)微控制器內(nèi)的可變靜態(tài)存儲器控制器（FSMC)連接外部的雙口靜態(tài)存儲器 (Dual-Port SRAM)，微控制器將采樣數(shù)據(jù)送入指定存儲空間供FPGA模塊讀取，并在指定位 置讀取經(jīng)過FFT轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)；
[0032] (4)控制通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通信模塊包括USB及以太網(wǎng)等其它接口；
[0033] (5)控制鍵盤模塊，實現(xiàn)按鍵及其它任務的處理。
[0034] 值得說明的是，本實施例的存儲模塊采用雙口靜態(tài)存儲器，由于FPGA模塊主要實 現(xiàn)電壓和電流信號基于硬件的快速傅里葉變換（FFT)，將時域信號變換到頻域內(nèi)，為后期的 諧波分析和計算做準備。考慮到ARM模塊和FPGA模塊之間需要較大的數(shù)據(jù)交換且兩者會由 于處理數(shù)據(jù)速度不同而造成工作過程中存在步調(diào)不一致，本實施例通過一個雙口靜態(tài)存儲 器連接ARM模塊和FPGA模塊，即能保證高速的數(shù)據(jù)交換，又能進行一定的數(shù)據(jù)緩沖。FPGA 模塊和雙口靜態(tài)存儲器的具體工作流程如下：首先，通過16位并行總線讀取存儲在雙口靜 態(tài)存儲器中的電壓、電流的時域信號；然后在FPGA模塊內(nèi)部作基于硬件的基-4FFT運算處 理；最后將處理后的數(shù)據(jù)送回到雙口靜態(tài)存儲器內(nèi)指定的位置進行存儲。
[0035] 本實施例的電源模塊采用24V開關電源供電。電源模塊包括兩級降壓穩(wěn)壓電路， 前一級電路（參看圖3)將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓，顯示模塊和存儲模塊采用5V供電，考 慮到前一級電路壓差較大，若用線性穩(wěn)壓芯片如78L05則發(fā)熱過大，所以選用開關型穩(wěn)壓 芯片LM2567-5. 0,保證供電穩(wěn)定、高效。后一級電路（參看圖4)將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?. 3V電 壓；所述的FPGA模塊和ARM模塊采用3. 3V供電，穩(wěn)壓芯片選用LM1117-3. 3。
[0036] 本實施例的顯示模塊采用型號為MzTH43V10的4. 3寸彩色點陣液晶顯示模塊。可 以通過串行SPI接口進行控制，節(jié)約了微控制器的10資源。
[0037] 表1為使用本實施例的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)和Fluke434測量某工廠380V配電總線 側(cè)諧波數(shù)據(jù)對比。從表1可以看出本實施例的系統(tǒng)測量精確度高、性能穩(wěn)定、反應速度快， 電壓和電流有效值、功率值、各次諧波65次）參數(shù)、三相不平衡度、閃變等各項指標均 能滿足要求。同時本實施例的系統(tǒng)可通過以太網(wǎng)接口或USB接口將圖形或其它數(shù)據(jù)存儲在 計算機或USB存儲器中，方便后續(xù)的分析和診斷。
[0038] 表1某工廠配電總線側(cè)諧波電流數(shù)據(jù)對比
[0039] 遙波次數(shù) ? 3 5 7 9 Π 13^ Ια (??；) 353.3451 26.5122 38,7987 21.8761~6.9984 15,4997 13.3985 Fluke 352.9985 26.8374 38.5987 21.35485 7.1698 15.5797 13.4382 Ib (A) 349.5893 38.9637 45.7347 20.8305 10.3580 13.483? 153874 Fluke 350.1485 39.2011 45.3545 21.0105 10.5373 13.2364 15.5373 Ic i:A:> 本系統(tǒng) 455.4096 32.4856 42.3859 23.5852 13.4853 14.3332 17.3958 Fluke 455.6383 32.6202 42.58S4 23.3889 13.298? 13.9762 17.J448
[0040] 實施例1所述的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，針對當前電網(wǎng)干擾增 加和電能質(zhì)量下降的現(xiàn)狀，采用意法半導體（ST)公司生產(chǎn)的基于ARM內(nèi)核的STM32F103作 主控芯片，再配合使用EP3C16F484C6芯片對采集的實時電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行快速的分析和處理， 所得到的數(shù)據(jù)送往存儲器存儲，同時可以根據(jù)用戶要求同步顯示，以達到對電能質(zhì)量進行 實時、快速監(jiān)測和分析診斷的目的；充分利用了 ARM強大事務處理能力和FPGA硬件并行運 算的優(yōu)點，具有性能穩(wěn)定、測量精度高、使用方便、性價比高等特點，能為電網(wǎng)治理提供精確 的數(shù)據(jù)來源。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，包括電壓互感器、電流互感器、信號調(diào) 理與濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述的電壓互感器和電流互感器與電網(wǎng)連接，該電壓互感器 和電流互感器的輸出端和信號調(diào)理與濾波模塊相連，所述的信號調(diào)理與濾波模塊的輸出端 和A/D轉(zhuǎn)換模塊相連；電壓互感器和電流互感器將電網(wǎng)的電壓和電流轉(zhuǎn)換成弱電模擬信號 后經(jīng)信號調(diào)理與濾波模塊輸送給A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號；其特征在于：還包括FPGA模塊、ARM模塊、顯示模塊、存儲模塊、通信模塊和鍵盤模 塊；所述的FPGA模塊采用型號為EP3C16F484C6的FPGA芯片，該FPGA模塊的輸入端與A/D 轉(zhuǎn)換模塊相連，F(xiàn)PGA模塊的I/O端與ARM模塊相連；所述的ARM模塊采用型號為STM32F103 的ARM微控制器，所述的顯示模塊、存儲模塊、通信模塊和鍵盤模塊均與ARM模塊相連，所述 的存儲模塊采用雙口靜態(tài)存儲器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，其特征在于：電 能質(zhì)量分析系統(tǒng)還包括電源模塊，該電源模塊采用24V開關電源供電。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，其特征在于：所 述的電源模塊包括兩級降壓穩(wěn)壓電路，前一級電路將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓，后一級電路 將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?. 3V電壓；所述的顯示模塊和存儲模塊采用5V供電，所述的FPGA模塊和 ARM模塊采用3. 3V供電。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于ARM和FPGA的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，其特征在 于：所述的顯示模塊采用型號為MzTH43V10的彩色點陣液晶顯示模塊。
【文檔編號】G01R31/00GK203909191SQ201420337717
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】吳彩林, 寧平華, 夏興國 申請人:馬鞍山職業(yè)技術學院