Application about CPLD on Design of Harmonic Analyzer

REN Zihui, LI Haigang

(Information & Electrical Engineer College, China University of Minin g & Technology,
Xuzhou 221008, China)

　　Key words: CPLD; harmonic analysis; frequency?following

1采樣方法比較
　　對三相電壓、電流6路模擬量進行數據采集時，一般有兩種方法：①同相電壓電流交替采樣法：在被測信號的一個周期內，采樣256點，其中128個奇數點為電壓采樣點；128個偶數點為電流采樣點。采電壓和采電流的時差為Δt=T/256(T為被測信號周期)。由Δt引起的同相電壓電流的相位誤差為δui=360*f*n*Δt(度)。式中f——被測信號頻率，n——諧波次數。由上式可知相位誤差隨時差Δt、諧波次數n增大而增大，這是造成相位差存在并且不一致的根本原因。另外還有一個原因，當電網頻率畸變時，由于采樣是定時采樣，不能跟隨頻率變化，也會造成測量誤差。②同相電壓電流整周期同步采樣法：同相電壓、電流采取的是同步采樣，分時傳輸的方法。這樣，就不存在時差問題，相位差也就不存在；對于電網頻率畸變的問題，常用的方法是鎖相環技術。它是通過對電網電壓信號取樣進行帶通濾波，提取出電網基波信號，然后進行整形處理，獲得與基波信號頻率一致的方波信號，將它進行鎖相倍頻，獲得輸出頻率為f0=N*fi的方波信號，以此作為整周期同步采樣脈沖信號。由此，采樣間隔也就隨被測信號的頻率變化而相應變化，但是，這又增加了硬件的開銷。在本設計中，采用的是整周期同步采樣方法：由CPLD和單片機配合產生符合要求的整周期同步采樣脈沖信號。

2.1系統的工作原理
　　首先讓被測信號經過抗混疊低通濾波器電路進行預處理，對其中1路信號通過測頻模塊進行精確的頻率測量，把頻率參數傳輸到單片機，由其通過運算確定分頻系數，然后，回送到CPLD的總控制器中，總控制器由此產生采樣脈沖信號。在采樣過程中，對于同相電壓、電流信號采用的是同步保持，通過多路開關分時采樣。其中，3路采樣保持器的控制信號Ca，Cb，Cc，多路開關的地址選通信號A1，A2，A3由CPLD控制產生。把選通的1路信號送入AD開始轉換，并檢測轉換結束信號。當一次AD轉換結束時，通過RAM地址發生器產生的地址和讀寫控制時序，把AD轉換的結果直接送入雙口RAM存儲。然后，進行下一次采樣。當A相信號采樣完成后，就順序采樣B相、C相信號。本設計中的MCS?51單片機主要負責運算及人機接口的管理，這將大大提高整個系統的運行效率，提高了運算的精度，又兼顧了運算的響應速度。
2.2主要硬件的選擇
　　由于CPLD是高速器件，所以在采樣頻率很高的時候，多路開關和AD轉換器就成為制約采樣頻率的主要因素。當采樣頻率達到兆級的時候，RAM的存儲速度又成為了另外一個制約因素。
　　在本設計中，要求分析的諧波次數達到50次，被測信號在45Hz～55Hz范圍內，頻率自動跟隨。根據香農定理知：采樣頻率應該大于或者等于被測信號頻率的2倍。要求每個周期采樣128點，這樣總的采樣頻率為f=128*55*2=14.08kHz，所以采樣周期為T=1/fs=71.02μs。采樣保持器選擇AD582，它是反饋型結構，在精度要求不高(≤0.1％)而速度要求較高時，可選用CH=1000pF，捕捉時間tAC≤6μs。多路開關選用MAX382，它開關速度快，在雙電源，連續供電工作方式下，典型開關時間在100ns左右。它的主要特點是：工作電壓低、通道電阻小(≤100Ω)、具有數字輸入鎖存、TTL/CMOS電平兼容、具有ESD靜電保護功能等。ADC轉換器選用MAX172，該芯片是5V電源供電的12位模數轉換芯片，CMOS工藝制造，速度快，轉換時間為10μs，具有基準源，外接時鐘，頻率要求為1.25MHz。

　　在本設計中選用的是EP1K100QC208-3，它是ALTERA公司推出的ACEX1K系列下的一款FPGA芯片。上電時需要重新對芯片進行配置。片內有100，000可用門，有4，992個邏輯單元，內嵌12個EAB。每個EAB的容量為512Byte，可以非常方便地構造RAM、ROM、FIFO或雙口RAM等功能。本設計中6KB的雙口RAM正是基于此構建的。其有208個管腳，可用I/O管腳數為147個。

　　本設計的軟件是在MAX+plusII10.2下完成的，頂層文件是*.gdf圖形文件，低層用AHDL硬件描述語言來描述。
3.1測頻模塊
　　測頻模塊的主要作用是：①測量電網頻率；②確定分頻系數，產生跟隨頻率變化的同步脈沖。測頻原理：由于測量的頻率在50Hz左右，采用脈寬測量方式，即首先對被測信號進行2分頻，使信號的正負脈寬相等，然后利用正脈寬對50MHz的標準脈沖進行計數。正脈寬上升沿來時，計數器開始對標準脈沖計數；下降沿來時，鎖存當前的計數值Con。通過以下關系確定頻率f、分頻系數N。
　　
　　分頻系數為：系統時鐘源頻率與分頻得到脈沖頻率(256*f)的比值的一半再減去1，即：
　　
3.2S/H時序控制模塊
　　由于采用的是同相電壓、電流同步采樣技術，所以對S/H的控制時序要求嚴格。同步采集某相電壓電流1次的時間≤71.02μs。同相電壓、電流間要求是同時保持，分時采樣。由于ADC582的捕捉時間約為6μs，所以S/H時序脈沖低電平應至少為10μs，在此期間，采樣保持器處于跟蹤狀態；高電平為60μs，在高電平期間，采樣保持器處于保持狀態。前30μs對電壓信號進行AD轉換并存儲；后30μs對電流信號進行AD轉換并存儲。仿真波形如圖2。

　　在AD582控制脈沖一個周期的高電平期間，要采集電壓、電流各1次，所以多路開關MAX382需要選通2次，AD芯片MAX172也需要啟動2次。第1次MAX382選通起始于AD582控制脈沖上升沿來臨以后的1μs時刻；第2次起始于中間31μs處，延時1μs。這是因為采樣保持器的輸出還有一段波動，經過一定時間tST才保持穩定，為了量化的準確，所以在保持指令發出后，延時1μs。AD啟動脈沖開始于AD582控制脈沖2μs、32μs處，也延時1μs。MAX172的控制端有：CS，HEN，RD；轉換結束狀態線：BUSY。當CS=0，RD=0，BUSY=0時，AD正在轉換；BUSY=1時，轉換結束；HEN=1，讀轉換結果的高4位數據，HEN=0時，讀轉換結果的低8位數據。該模塊要結合硬件來仿真。MAX172的控制時序圖如圖3。

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　　ACEX1K100器件內嵌EAB單元，可構成容量大約為6KB的雙口RAM，由于MAX172是12位AD，而MCS-51的數據總線只有8位，所以，需要把1次采樣的數據分成2個字節，分別存儲。因為電壓、電流分時交替轉換，所以，在地址發生器中要有一個確定的映射規則，調整其存儲地址，以使電壓、電流在雙口RAM中分塊順序存儲。另外，在雙口RAM中，當對同一地址單元同時進行讀寫時，要有一個仲裁機制，對其進行控制；當讀寫發生沖突時，我們約定：CPLD寫雙口RAM具有優先權，只有當寫操作結束后，MCS-51單片機才被允許讀該單元。該模塊的仿真波形見圖4。
3.5通信模塊
　　該模塊是在CPLD內部構建一個串行發送電路端口，實現MCS-51單片機與CPLD器件之間的通信功能。(1)在正常工作模式下，頻率、同步脈沖的分頻系數等重要數據需要通信。(2)在系統升級模式下，單片機發送控制數據給CPLD實現升級。通信方式為串行單工通信，MCS-51單片機發送數據，CPLD接受數據。通信波特率約定為9600bps，通信的幀結構：1幀10位數據，1位起始位(低電平)，8位數據位，低位在前；1位停止位(高電平)。幀與幀之間有3位空閑位(高電平)以確保通信正確。??

　　在電力諧波分析儀的設計中，CPLD的應用使采樣的速率大大提高，由于采用頻率跟隨技術，可以滿足高精度的測量需要。另外，也減輕了MCS-51單片機的負擔，提高了系統的響應速度，實時性更強。該設計還有另外一個優點，系統升級方便，只要把ADC芯片換成MAX162，單片機的程序稍做修改即可。當然也可以實現在線修改，實現遠程控制等功能。