基于USB總線的諧波分析系統(tǒng)研究與設(shè)計

引 言
    使用IEEEl394接口總線實(shí)現(xiàn)高速信號傳輸，雖然能夠滿足較高的數(shù)據(jù)傳輸率(196.608 Mb/s)，但是這種方案存在一定的缺陷，如設(shè)計復(fù)雜、成本高、通用化水平低、不能直接與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等。當(dāng)采用RS-232(最高達(dá)到20 Kb/s)或RS-485(O.11～14.4 kb/s)串行總線時，雖然連接方便，成本低廉，可是帶寬有限，傳輸速度過慢，不能組成高效的實(shí)時信號處理網(wǎng)絡(luò)。本文給出了一種使用USB總線構(gòu)成的電網(wǎng)諧波分析系統(tǒng)的設(shè)計方案。設(shè)計中，采用電流互感器提取交流網(wǎng)絡(luò)中的電流信號，AD7492把采樣信號變換成離散的數(shù)字量，使用高速的FPGA做快速傅里葉運(yùn)算(FFT)得到基波和頻率為基波頻率整數(shù)倍的多次諧波幅值和相位。PDIUSBl2 USB接口芯片與廉價單片機(jī)89C51組成USB通信接口設(shè)備，連接PC上位機(jī)形成多線路實(shí)時諧波分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為電流互感采樣單元、A/D采樣單元、FFT運(yùn)算處理單元、控制單元和USB網(wǎng)絡(luò)接口單元。電流采樣單元負(fù)責(zé)將輸入的電力網(wǎng)絡(luò)電流信號線性變換為10 mA的電流信號，并對信號進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換；A/D采樣單元對從電流互感器輸出的模擬信號每周波采樣256點(diǎn)，變換成12位的數(shù)字量；FFT運(yùn)算處理單元負(fù)責(zé)處理A/D采樣單元輸出的數(shù)字量，進(jìn)行256點(diǎn)FFT變換運(yùn)算；網(wǎng)絡(luò)接口單元負(fù)責(zé)提供USB網(wǎng)絡(luò)通信的硬件電路；Nios控制單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)各單元的控制，如控制A/D采樣單元的采樣頻率和采樣的啟動及停止、FFT運(yùn)算處理單元的控制和數(shù)據(jù)傳輸、USB總線的通信控制等。

2 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)
    電流互感采樣單元是該系統(tǒng)的關(guān)系環(huán)節(jié)之一，其性能直接決定整個系統(tǒng)能達(dá)到的精度等級。電流互感器變化的誤差試驗應(yīng)由制造廠在出廠試驗時完成或在試驗室進(jìn)行。電流互感器變比現(xiàn)場試驗屬于檢查性質(zhì)，不考慮上述影響電流互感器變比誤差的原因，而重點(diǎn)檢查匝數(shù)比。根據(jù)電工原理，匝數(shù)比等于電壓比或電流比的倒數(shù)。因此測量電壓比和測量電流比都可以計算出匝數(shù)比，如圖2所示。

    A/D采樣單元采用了Analog Devices公司的AD7492單通道高速12位并行輸出采樣芯片。該芯片使用逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換，可以在2.7～5.25 V的電壓下工作，其數(shù)據(jù)通過率高達(dá)1 Msps。它內(nèi)含一個低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器，可以處理高達(dá)10 MHz的寬頻信號。所以該采樣芯片能較好滿足本系統(tǒng)的精度要求，如圖3所示。

    FFT運(yùn)算處理單元基于一塊Altera公司的Stratix系列芯片的EPls25。該芯片內(nèi)嵌乘加結(jié)構(gòu)的DSP塊(包括硬件乘法器/硬件累加器和流水線結(jié)構(gòu))，可以完成較為耗費(fèi)資源的乘法器單元。同時，該器件也包含有大量存儲單元，內(nèi)嵌三級存儲單元，并自帶奇偶校驗從而可保證旋轉(zhuǎn)因子的精度。FFT運(yùn)算處理單元采用多層并行流水線技術(shù)，工作在40 MHz的頻率下，可以在1 ms內(nèi)完成8路工頻輸入信號的256點(diǎn)FFT運(yùn)算處理。Stratix系列芯片的軟件開發(fā)平臺為Altera公司的QuartusII，具有強(qiáng)大的硬件仿真和邏輯分析功能，它可以很容易將VHDL程序燒寫到FPGA中。在編程時，也可采用MegaWizard的方法指定用DSP模塊產(chǎn)生乘法器，用這種乘法器來做蝶形運(yùn)算，用多個蝶形來構(gòu)成FFT運(yùn)算級。本設(shè)計中FFT處理單元原理如圖4所示。

    在設(shè)計FFT定點(diǎn)浮點(diǎn)運(yùn)算取舍時，針對本系統(tǒng)采樣源的特點(diǎn)，高頻域的單頻干擾問題不明顯，不需要超高精度的苛刻指標(biāo)。使用定點(diǎn)數(shù)時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、運(yùn)算速度快，故本系統(tǒng)采用此方案。FFT處理核采用先進(jìn)的多層并行流水線技術(shù)，可以在1 ms內(nèi)完成8路256點(diǎn)的FFT運(yùn)算。
    Nios控制單元實(shí)際包含兩大部分，即采樣控制邏輯部分和FFT運(yùn)算控制部分。采樣邏輯部分負(fù)責(zé)AD7492的讀數(shù)據(jù)邏輯控制。FFT運(yùn)算控制部分包括FFT控制邏輯、采樣數(shù)據(jù)緩存、FFT處理核與讀取結(jié)果存儲FIFO控制。從AD7492輸出的12位采樣數(shù)據(jù)，首先暫存于采樣數(shù)據(jù)緩存中，然后FFT處理核從該緩存中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完畢的數(shù)據(jù)發(fā)送到隊列寄存器FIFO中。FFT
控制邏輯單元向Nios處理器申請中斷，Nios處理器響應(yīng)中斷，并向FFT控制邏輯單元發(fā)送讀信號。然后，將FIFO中的處理結(jié)果傳輸?shù)絅ios處理器中，經(jīng)過存儲后，通過USB網(wǎng)絡(luò)接口單元轉(zhuǎn)移到USB總線，最終傳輸至PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)諧波分析。
    USB網(wǎng)絡(luò)接口單元是由AT89S51單片機(jī)芯片和
PDIUSBI2 USB接口芯片構(gòu)成，如圖5所示。PDIUSBl2芯片提供了標(biāo)準(zhǔn)USBl.1規(guī)范，該規(guī)范可以支持1.5 Mb/s(低速)和12 Mb/s(全速)兩種速率事務(wù)。USB2.0版本可以支持480 Mb/s超高速事務(wù)?；诒驹O(shè)計特點(diǎn)，使用USBl.1版本中的全速事務(wù)就能符合傳輸速度要求。PDIUSBI12是一款性價比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，它還支持本地的DMA傳輸。這種實(shí)現(xiàn)USB接口的標(biāo)準(zhǔn)組件，可以在各種不同類型微控制器中選擇出最合適的微控制器。這種靈活簡捷的方法，可把開發(fā)的時間、風(fēng)險以及費(fèi)用降到最低(通過使用已有的結(jié)構(gòu)和減少固件上的投資)。USB設(shè)計分為硬件部分和軟件部分，硬件包括電路的設(shè)計和固件程序(FireWare)的編寫，軟件部分包括：USB設(shè)備驅(qū)動程序以及客戶應(yīng)用軟件的編寫。
    固件程序。USB固件程序的編寫與硬件相關(guān)，屬于核心模式。固件程序的編寫可采用模塊化的方案， 如Main模塊、Inter模塊、Dtable模塊、Vector模塊、Timer模塊和Declare模塊等。通過分塊調(diào)試再進(jìn)行連接，以．hex文件的格式寫入AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)。

    USB設(shè)備驅(qū)動程序。Windows要求針對特殊設(shè)備必 須編制相關(guān)驅(qū)動程序，微軟的WindowsDDK在這方面提 供了較為詳細(xì)的說明。目前，有許多第三方軟件廠商提供 了各種生成工具，如Compuware的DriverWorks，Blue Waters的Driver wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘 之內(nèi)生成高質(zhì)量的USB驅(qū)動程序。這比起VXD和WDM在硬件方面層次更為清楚和直觀。
    客戶應(yīng)用軟件。在本系統(tǒng)中，客戶應(yīng)用軟件即為諧波 分析儀顯示平臺的設(shè)計，用以顯示各種諧波分析的數(shù)據(jù)和 各種波形。
結(jié) 語
    按照本系統(tǒng)所制造的產(chǎn)品性價比高，而且結(jié)構(gòu)緊湊， 抗干擾性強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶可按實(shí)際速度要求編寫FFT算法，并可通過局域網(wǎng)或Internet接口方便地將網(wǎng)絡(luò) 接入變電站管理系統(tǒng)中，從而有效地對多點(diǎn)線路諧波做到實(shí)時監(jiān)測。