基于FPGA的三相电参数采集器的研究与实现

论文摘要

随着科学技术的发展和社会的进步,数据实时采集和通信成为实现人们沟通最为普遍和有效的环节,电能量参数的实时采集和传输更是电力系统最为关键的环节,复杂的电磁环境,波动的电网特性,对此环节提出更高的要求。现场可编程逻辑门阵列因其大容量的逻辑门数、软核技术、自主知识产权核的灵活定制的支撑,不仅增强了其数据处理能力,而且提高了其嵌入式应用能力,满足数据采集与处理系统实时处理、高可靠性的设计要求,灵活地运用SOPC技术,将设计分解成独立模块,可大幅度缩短产品研发周期。论文较为深入的调研了目前国际和国内三相电参数实时采集与处理的前沿动态和发展状况,结合课题的需求分析,设计出其系统构架。按照电网行业相关标准定位本课题的预定指标,研究并实现了一种基于FPGA的实时三相电参数采集、处理及远程传输系统的硬件方案和配套软件算法,以替代传统的“DSP+ASIC”架构。进一步分析系统的项目需求及相应的参数指标;利用片上软核处理器和SOPC技术的优点,在单片FPGA内部实现系统硬件电路及软件平台的搭建;采用模块化的开发流程,实现系统本身和外界通信的各功能模块,确定了系统及其各核心模块的技术框架。系统硬件方案分数据采集、电源、数据缓存、数据非易失存储以及数据传输等模块进行设计并测试,并对以上核心模块的硬件电路和驱动程序做了较为深入的探讨,最终将本文设计的硬件方案予以实现,提供了相应的测试数据。并依托此三相电参数采集器,设计和实现了一种三相电能表现场校验仪,测试指标达到预定指标。实现的三相电参数采集器充分发挥MicroBlaze软核处理器及SOPC技术的优势,简化了电路设计,缩短了系统开发周期,提高了设计效率;利用FPGA的可编程特性和模块化设计,使得系统的电路设计及其算法具有良好的可移植性和可重构性,便于系统的扩展和升级,增强了系统的灵活性和完整性。该系统开发成本低,集成度高,具有较强可重构性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究方法和 FPGA 优势
• 1.4 研究意义
• 1.5 论文结构
• 第2章 三相电参数采集器总体设计
• 2.1 功能需求
• 2.2 系统总体设计
• 2.3 系统处理器选型
• 2.4 内存容量分析
• 2.4.1 前期数据验证内存消耗
• 2.4.2 系统运行内存分析
• 2.5 开发环境
• 2.5.1 ISE 逻辑开发工具
• 2.5.2 EDK 嵌入式开发工具
• 2.5.3 System Generator 算法开发工具
• 2.6 MicroBlaze 软核处理器简介
• 2.6.1 体系结构
• 2.6.2 总线接口
• 2.6.3 指令集和流水线
• 第3章 数据采集的研究与实现
• 3.1 数据采集芯片特性
• 3.1.1 时序特性
• 3.1.2 电源特性
• 3.1.3 量化特性
• 3.2 数据采集芯片驱动 IP 核设计与实现
• 3.2.1 知识产权核简介
• 3.2.2 ADC7656 驱动 IP 设计
• 3.2.3 ADC7656 驱动 IP 验证
• 3.3 电源模块分析与设计
• 3.3.1 电源模块分析
• 3.3.2 电源模块调试及验证
• 3.3.3 电源供电方案结论及实施注意点
• 第4章 数据存储及传输的研究与实现
• 4.1 数据缓存的研究与实现
• 4.1.1 DDR SDRAM 特性介绍
• 4.1.2 数据缓存控制器的研究和实现
• 4.2 数据非易失存储的研究与实现
• 2C 通信协议介绍'>4.2.1 I²C 通信协议介绍
• 4.2.2 EERPOM 数据存储的实现
• 4.2.3 SD 上数据存储的实现
• 4.3 数据传输的研究与实现
• 4.3.1 基于 RS232 协议的本地通信
• 4.3.2 基于 TCP/IP 协议的远程通信
• 4.3.3 数据通信测试
• 第5章 三相电参数采集器的测试与应用
• 5.1 三相电参数采集器测试平台
• 5.1.1 测试框架
• 5.1.2 三相电压信号预处理
• 5.1.3 三相电流信号预处理
• 5.2 三相电参数采集器测试
• 5.2.1 测试条件和理论计算
• 5.2.2 测试结果
• 5.3 三相电参数采集器应用
• 5.3.1 三相电能表现场校验仪简介
• 5.3.2 联调测试结果
• 5.4 测试和应用结论
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录 B 攻读学位期间所获的专利目录