专利名称：基于fpga的程控标准源的控制板及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于高性能超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的程控标准源的控制板及方法，属于电力自动化技术领域。
背景技术：
在电力系统中，由于大型电力启停装置、整流设备、变频装置等非线性用电设备的存在，电网的非线性(谐波)的波动性较大，造成电力系统电压、电流波形严重畸变， 使电压、电流的不平衡度加大，电能质量下降。因此，在电力系统中，仪器仪表校准和电能质量指标测试都需要专门的信号源，其主要提供2 21次高精度工频谐波检测信号。传统的利用电子线路产生的低频谐波检测信号只有频率在I kHz以上所产生的信号才稳定性好，如果产生几赫到几十赫的低频信号，用模拟电路就不易实现。而目前市场上，标准源的控制板多以产生复杂信号为主，其精度和实时性都不符合电力系统应用的要求。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA的程控标准源的控制板，解决现有标准源的精度不高、 计算速度较慢和实现比较复杂的问题。本发明所采用的技术方案是一种基于高性能超大规模现场可编程逻辑门阵列 (FPGA)的程控标准源的控制板，主要由FPGA芯片与DAC芯片组合而成，还包括RS-232收发器驱动芯片和运算放大器等辅助外部器件。所述的程控标准源的控制板由RS-232收发器驱动芯片、FPGA芯片、DAC芯片和运算放大器构成。RS-232收发器驱动芯片的TTL电平发送数据、TTL电平接收数据，以及DAC 芯片的控制信号、数据总线信号分别连接FPGA芯片的相应IO管脚，DAC芯片出的第一模拟电流输信号作为程控标准源的控制板输出的电流信号，DAC芯片输出的第二模拟电流信号连接运算放大器U4的反相输入段，运算放大器U4的输出端作为程控标准源的控制板输出的电压信号；
FPGA的程控标准源的控制板的控制方法如下
DAC芯片把FPGA芯片送来的标准源数据进行数模转换，得到两路模拟电流信号， 第一路模拟电流信号作为程控标准源的控制板输出的电流信号，第二模拟电流信号送至运算放大器反相输入端，运算放大器的输出端输出的电压信号作为程控标准源的控制板输出的电压信号；
RS-232收发器驱动芯片将外部传送过来的RS-232电平参数进行电平转换，输出TTL电平参数送给FPGA芯片；
运算放大器把DAC芯片传送到的第二模拟电流信号转换为模拟电压信号，运算放大器的输出作为程控标准源的控制板输出的电压信号。所述的FPGA芯片运行包括以下步骤O设置默认基波和谐波参数；
2)接收外部通过RS-232收发器驱动芯片传送过来的程控标准源信号频率和相位信
3)判断波形数据和初始相位是否要改变；
如果波形数据和初始相位都不需要改变，进入5)步，如果波形数据和初始相位任意一个需要改变，不需改变的进入5)步，需要改变的执行4)步；
4)计算基波和谐波数据和初始相位值是否要改变；
5)直接频率合成(DDS)技术利用基波频率控制字和基波相位控制字分别输出基波的频率和相位，生成基波数据；
DDS技术利用谐波频率控制字和谐波相位控制字分别输出谐波的频率和相位，生成谐波数据；
每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M递增，相位寄存器的输出与相位控制字相加， 其结果作为波形查找表的地址；波形查找表的数据存放在ROM中，内部存有一个周期的波形信号的数字幅度信息，每个查找表的地址对应于正弦波中0° 360°范围内的一个相位点；查找表把输入的址信息映射成波形的数字幅度信号；
6)基波数据和谐波数据叠加后得到标准源数据；
7)通过逻辑控制信号，把标准源数据送至DAC芯片。本发明接收外部控制参数，并产生相应的标准源电流和电压信号作为功率放大板的输入。该程控标准源的控制板的程序均使用Verilog HDL语言在FPGA中实现，可在线编程，易于实现和升级；FPGA平行处理速度极快，提高了计算速度；运用DDS技术在一定程度上提高了计算精度；本发明实现简单、成本较低、维护方便。
图I基于FPGA的程控标准源的控制板示意图2信号生成流程图。
具体实施例方式
如图I所示，本实例是一种基于高性能超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的程控标准源的控制板，主要由FPGA芯片XC3S50A与DAC芯片AD5547组合而成，还包括RS-232 收发器驱动芯片MAX3223和运算放大器AD8512等辅助外部器件。所述的程控标准源的控制板如图I所示，RS-232收发器驱动芯片MAX3223 TTL电平发送数据管脚17和TTL电平接收数据管脚16分别连接FPGA芯片XC3S50A的相应IO 管脚；DAC芯片AD5547控制总线的写控制信号管脚18、寄存器控制信号管脚21、寄存器复位信号管脚23、芯片复位信号管脚22、高地址信号管脚19和低地址信号管脚20分别连接 FPGA芯片XC3S50A的相应IO管脚，DAC芯片AD5547数据总线D[15:0]的管脚I、管脚2、管脚38、管脚37、管脚36、管脚35、管脚34、管脚33、管脚32、管脚31、管脚30、管脚28、管脚 27、管脚26、管脚25和管脚24分别连接FPGA芯片XC3S50A的相应IO管脚，DAC芯片AD5547 的第一模拟电流信号管脚8为程控标准源的控制板的电流信号直接输出，DAC芯片AD5547 的第二模拟电流信号管脚12和第二信号地管脚11分别连接运算放大器AD8512的反相输入端管脚2和正向输入端管脚3，运算放大器AD8512输出端管脚I为程控标准源的控制板的电压信号输出。
如图2所示，所述的FPGA芯片U2主要程序包括一下步骤
1)设置默认基波频率为50Hz和基波相位为0，2 21次谐波次数为O和2 21次谐波相位为O ;
2)接收外部通过RS-232收发器驱动芯片传送过来的信号频率和相位等参数信息；
3)判断波形数据和初始相位是否要改变；
如果波形数据和初始相位都不需要改变，进入5)步，如果波形数据和初始相位任意一个需要改变，不需改变的进入5)步，需要改变的执行4)步；
4)计算基波和谐波数据和初始相位值是否要改变；
5)DDS技术利用基波频率控制字和基波相位控制字分别输出基波的频率和相位，生成基波数据；
DDS技术利用谐波频率控制字和谐波相位控制字分别输出谐波的频率和相位，生成谐波数据；
对每路信号每个周期取样36000点，可保证相位调节细度达O. 01° (360° /36000 )。 每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长O. 01递增。相位寄存器的输出与相位控制字相加， 其结果作为波形查找表的地址。波形查找表的数据存放在ROM中，内部存有一个周期的波形信号的数字幅度信息，每个查找表的地址对应于正弦波中0° 360°范围内的一个相位点。查找表把输入的址信息映射成波形的数字幅度信号；
6)基波数据和谐波信号数据叠加后得到标准源数据；
7)通过逻辑控制信号，把标准源数据送至DAC芯片U3。如图I所示，所述的DAC芯片AD5547主要把FPGA芯片XC3S50A送来的标准源数据进行数模转换，其电流信号幅值采用16 bit 二进制数据，信号失真度为O. 002 %。得到两路模拟电流信号，第一路模拟电流信号作为程控标准源的控制板输出的电流信号，第二模拟电流信号送至运算放大器AD8512反相输入端，运算放大器的输出端输出的电压信号作为程控标准源的控制板输出的电压信号。如图I所示，所述的RS-232收发器驱动芯片MAX3223主要将外部传送过来的 RS-232电平参数进行电平转换，RS-232收发器驱动芯片MAX3223 TTL电平发送数据管脚17 和TTL电平接收数据管脚16分别连接FPGA芯片XC3S50A的相应IO管脚。如图I所示，所述的运算放大器AD8512主要把DAC芯片AD5547传送到的第二模拟电流信号转换为模拟电压信号，运算放大器的输出作为程控标准源的控制板输出的电压信号。
权利要求
1.一种基于FPGA的程控标准源的控制板，其特征在于由RS-232收发器驱动芯片、 FPGA芯片、DAC芯片和运算放大器构成；所述的DAC芯片把FPGA芯片送来的标准源数据进行数模转换，得到两路模拟电流信号，第一路模拟电流信号作为程控标准源的控制板输出的电流信号，第二模拟电流信号送至运算放大器反相输入端，运算放大器的输出端输出的电压信号作为程控标准源的控制板输出的电压信号；所述的RS-232收发器驱动芯片将外部传送过来的RS-232电平参数进行电平转换，输出TTL电平参数送给FPGA芯片；所述的运算放大器把DAC芯片传送到的第二模拟电流信号转换为模拟电压信号，运算放大器的输出作为程控标准源的控制板输出的电压信号。
2.一种如权利要求I所述的基于FPGA的程控标准源的控制板的控制方法，其特征在于所述方法如下DAC芯片把FPGA芯片送来的标准源数据进行数模转换，得到两路模拟电流信号， 第一路模拟电流信号作为程控标准源的控制板输出的电流信号，第二模拟电流信号送至运算放大器反相输入端，运算放大器的输出端输出的电压信号作为程控标准源的控制板输出的电压信号；RS-232收发器驱动芯片将外部传送过来的RS-232电平参数进行电平转换，输出TTL电平参数送给FPGA芯片；运算放大器把DAC芯片传送到的第二模拟电流信号转换为模拟电压信号，运算放大器的输出作为程控标准源的控制板输出的电压信号。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的程控标准源的控制板的控制方法，其特征在于 所述的FPGA芯片运行包括以下步骤设置默认基波和谐波参数；接收外部通过RS-232收发器驱动芯片传送过来的程控标准源信号频率和相位信息； 判断波形数据和初始相位是否要改变；如果波形数据和初始相位都不需要改变，进入5)步，如果波形数据和初始相位任意一个需要改变，不需改变的进入5)步，需要改变的执行4)步；计算基波和谐波数据和初始相位值是否要改变；5)直接频率合成(DDS )技术利用基波频率控制字和基波相位控制字分别输出基波的频率和相位，生成基波数据；DDS技术利用谐波频率控制字和谐波相位控制字分别输出谐波的频率和相位，生成谐波数据；每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M递增，相位寄存器的输出与相位控制字相加， 其结果作为波形查找表的地址；波形查找表的数据存放在ROM中，内部存有一个周期的波形信号的数字幅度信息，每个查找表的地址对应于正弦波中0° 360°范围内的一个相位点；查找表把输入的址信息映射成波形的数字幅度信号；基波数据和谐波数据叠加后得到标准源数据；通过逻辑控制信号，把标准源数据送至DAC芯片。
4..如权利要求2所述的基于FPGA的程控标准源的控制板的控制方法，其特征在于 所述的程控标准源的控制板的程序均使用Verilog HDL语言在FPGA中实现。
全文摘要
本发明公开了一种基于FPGA的程控标准源的控制板及方法，属于电力自动化技术领域。解决现有标准源的精度不高、计算速度较慢和实现比较复杂的问题。本发明由FPGA芯片与DAC芯片组合而成，还包括RS-232收发器驱动芯片和运算放大器等辅助外部器件。通过串口接收输出信号的幅值、频率、相位等参数，根据相应的参数快速计算实时产生所需的波形数据,本发明方法利用DDS技术分别生成谐波和基波，将谐波数据和基波数据叠加后得到标准源数据，将标准源数据送到DAC模块进行数模转换,生成所需的电压信号和电流信号。本发明的控制板具有集成高、功能完善、转换速度快、信号精度高等特点，其易于修改、升级，实现了低成本高性能。
文档编号G01R1/28GK102608370SQ20121011239
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者俞孟蕻, 单菡, 齐亮 申请人:江苏科技大学