基于FPGA的电力系统谐波测量系统设计
谐波是电力系统的一大公害，消除谐波污染，把谐波含量控制在允许范围内，已经成为主管部门和用电单位的共同奋斗目标。而要消除电网中的谐波，首先就要对谐波进行准确测量，谐波测量工作已经越来越引起人们的关注［1］。a/d转换电路是电力系统谐波测量中必不可少的一个重要环节，是电力系统谐波测量系统前端的核心。
fpga因具有强大的逻辑控制能力、高速的运算能力、灵活的可编程性，已经越来越多的被用于各种数字系统。在fpga内部一般都内嵌有可配置的高速ram、pll、lvds、lvttl以及硬件乘法累加器等dsp模块。用fpga模块来实现数字信号处理可以很好地解决并行和顺序性的矛盾，直至速度问题，而且其灵活的可配置性，使得fpga构成的dsp系统非常易于修改，易于测试及硬件升级。在quartusii开发软件中用verilog hdl硬件描述语言能够很容易进行逻辑电路设计，并且在fpga中可以实现用硬件进行配置，可有效降低软件运行时间和软件设计复杂程度［2］。因此，fpga非常适合在电力系统谐波测量系统中作为核心器件。
本文中采样电路选用ad73360，在quartusii中用verilog hdl硬件描述语言实现了ad73360及vga与fpga的接口设计，最后通过实验验证了设计的正确性。
1 系统总体方案
系统以altera公司的de2开发板为平台，系统框图如图1所示。信号采集单元核心器件为电压、电流互感器。互感器将待测高压、大电流信号线性转换为合适的微弱电压信号，该微弱电压信号经信号调理电路放大为合适的电压信号，经低通滤波电路滤除高于2 500 hz的高频噪声，然后送到a/d转换单元进行a/d转换，转换后形成数字信号存储到存储器中，再送到fft处理单元进行快速傅里叶变换，变换后得到的数据再储存到存储器中，再进行一系列相关运算，如：谐波电压含有量、谐波电流含有量、各次谐波电压含有率、各次谐波电流含有率等，最后经vga进行显示出波形和相关数据。
2 ad73360的配置［3］
2.1 a/d电路设计
a/d电路如图2所示。a/d电路可分为以下三个部分。
（1）电源部分。ad73360有5 v和3 v两种工作模式，为了能够与fpga实现直接连接，采用3 v供电（fpga接口电平为3.3 v左右），这样无需外加电平转换电路，可以简化电路设计、降低系统功耗、节约成本。
（2）模拟输入部分。ad73360有6个通道，每个通道又分为正端vinp和负端vinn，每个通道都可以由ad73360内部控制寄存器配置为差分输入和单端输入两种方式，本设计采用单端交流耦合输入方式。
（3）与fpga接口部分。ad73360采用六线制串行接口，能很方便与外部电路实现接口连接，为了实现ad73360与fpga的连接，就需要在fpga中设计一个控制器，在quartus ii中设计的a/d控制器ad_controller如图3所示。
2.2 ad73360的配置
ad73360为可编程a/d转换器，每次启动系统都要对其进行配置。对ad73360的配置有两种方式，一种方法是用程序来实现，另外一种方法是利用fpga具有很强的逻辑控制能力，用硬件实现对ad73360的配置，后者虽然会占用一些硬件资源，但是这样可以大大简化系统程序设计，节约软件运行时间，因此本设计采用后者。系统上电或者手动复位后，ad73360被复位，在复位状态下，ad73360的八个控制字寄存器被初始化为00h，同时ad_controller也被复位到初始状态，se被置1，从而ad73360串口进入工作状态。当复位信号变为高时，ad73360进入编程模式，该模式下，ad73360数字端接口时序如图4所示。在编程模式下，ad73360的sdofs引脚以主时钟频率的1/2048的频率产生输出数据标志信号，当控制寄存器被正确配置后，将产生与设定采样频率同频的sdofs标志信号，每个输出标志信号以后sdo引脚将连续输出16位随机数据，这时候的数据是随机产生的，不是有效的a/d转换数据。与此同时，在sclk时钟的下降沿，若sdifs标志位有效，则ad73360于下一个sclk下降沿开始读取sdi引脚数据，并存到ad73360中的串行寄存器。
撤销复位信号后，ad_controller开始对ad73360进行配置，配置过程如图4所示。系统复位后标志信号go被置1，经过三个sclk时钟周期后go被置0，此时把第一个配置数据赋给sd，标志信号go保持一个sclk时钟周期后，又被置1。当标志信号go=0时，ad_controller进入下一状态检测sdofs，当检测到sdofs由1变为0时，进入写数据状态，从sd最高位开始由高到低逐位往sdi端口写数据，每个sclk时钟周期写一位，直到写完16位数据，ad73360根据这16位数据的前8位数据针对把后8位数据写入相应ad73360的相应控制寄存器，写完16位数据后，系统把sdifs引脚设为高阻状态，并产生一个sclk周期的end（对end置1）信号，作为一个控制字配置完成的标志。系统检测到end标志信号后，在未对所有控制字进行有效配置的情况下，把下一个控制字赋给pdata，并产生一个sclk周期的go（把go置0）标志信号，系统检测到go标志信号后，再检测sdofs，在sdofs为1的下一个sclk开始通过sdi端口向ad73360写下一个控制字，直到8个控制字都被写入ad73360，配置完成后，ad73360进入数据模式，开始进行a/d转换。完成配置任务后ad_controller结束配置状态，把sdi设为高阻状态，并开始接收sdo引脚的数据，并把接收到的串行数据转换成16位并行数据［4］。
在quartusii开发工具中，用verilog hdl语言完成了对ad73360的配置，并进行了功能仿真，功能仿真结果如图5所示。
3 vga显示
vga（video graphics array）是ibm在1987年随ps/2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。随着电子技术的发展，vga接口出现在很多嵌入式平台上，用于图像信息的实时显示等。altera公司提供的de2开发板上有一个vga接口，极大地方便了利用vga实时显示。
3.1 vga显示原理及时序
通用vga显示卡系统主要由控制电路、显示缓存区和视频bios程序三个部分组成。控制电路主要完成时序发生、显示缓冲区数据操作、主时钟选择和d／a转换等功能；显示缓冲区提供显示数据缓存空间；视频bios作为控制程序固化在显示卡的rom中。vga接口为显示器提供两类信号，一类是数据信号，一类是控制信号。数据信号包括红、绿、蓝信号，简称rgb信号，控制信号包括水平同步信号和垂直同步信号。输出不同分辨率时，水平同步信号和垂直同步信号的频率也不同。
要实现vga显示就要解决数据来源、数据存储、时序实现等问题，其中关键还是如何实现vga时序。vga的标准参考显示时序如图6所示。行时序和帧时序都需要产生同步脉冲、显示后沿、显示时序段和显示前沿四个部分。几种常用模式的时序参数如表1所示。
本系统集成了前端采集、中间处理和后续显示功能模块，充分利用了fpga的逻辑资源和niosii处理器的强大功能，较好地实现了预期目标。与同类系统相比，具有开发时间短、程序可移植性强和成本低等优势。该系统作为电力系统谐波分析系统的一部分，在数据采集及预处理方面已经取得较好的效果，后期将进一步研究基于fpga内部逻辑结构的fft实用算法。
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（1）电源部分。ad73360有5 v和3 v两种工作模式，为了能够与fpga实现直接连接，采用3 v供电（fpga接口电平为3.3 v左右），这样无需外加电平转换电路，可以简化电路设计、降低系统功耗、节约成本。
（2）模拟输入部分。ad73360有6个通道，每个通道又分为正端vinp和负端vinn，每个通道都可以由ad73360内部控制寄存器配置为差分输入和单端输入两种方式，本设计采用单端交流耦合输入方式。
（3）与fpga接口部分。ad73360采用六线制串行接口，能很方便与外部电路实现接口连接，为了实现ad73360与fpga的连接，就需要在fpga中设计一个控制器，在quartus ii中设计的a/d控制器ad_controller如图3所示。
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