基于dsp与fpga的变频电源电参数测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统，包括电流传感器、电压传感器、信号调理模块、A/D转换模块、FPGA、微处理器以及通信模块，所述电流传感器与变频电源相连，其信号输出端与信号调理模块相连，所述电压传感器与变频电源相连，其信号输出端与信号调理模块相连，信号调理模块与A/D转换模块相连，A/D转换模块与微处理器相连，所述微处理器与通信模块相连，所述FPGA分别与A/D转换模块、微处理器、通信模块相连。本实用新型能够对变频电源电参数进行测量，测量精度高，充分发挥了微处理器DSP的运算能力，极大地提高了测量的实时性，并且操作简便，具有非常好的直观性。
【专利说明】基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统。
【背景技术】
[0002]近半个世纪以来，电力电子技术迅速发展，大量非线性的开关设备在工业领域中的应用也越来越普遍，交流变频电源为一种经典的电力电子设备，一直受到人们的关注，是目前最具发展前景的一项高科技含量的产品。交流变频电源采用PWM脉宽调制技术，以其低功耗、高效率等优点被当做标准电源广泛地应用于电气拖动、电力机车、电机、电力电子实验室、不间断电源、家用电器等领域。
[0003]交流变频电源作为一种电力电子开关设备，它的输出电压、电流含有不可忽视的谐波。变频电源是交流调速系统的关键设备，在许多工业领域得到广泛的应用。大量变频电源被应用于电机拖动与控制，由于半导体器件以开关方式工作，不可避免地产生畸变电压和电流，谐波影响电机的正常工作，对电机产生附加功率损耗同时使电机产生发热、振动、过电压等现象，变频电源的性能直接关系到整个系统的可靠性和安全性，同时高频噪声会对周围的电气设备产生干扰，严重时可能产生误动作或停机而造成严重后果。为了减少变频电源产生的谐波对电力系统的污染以及对用电设备的危害，必须对变频电源进行深入的分析，因此对变频电源的电参数做科学的研究是十分必要的。
[0004]传统的交流电工测量仪器大都是以正弦波和工频信号为基础的，而且以往的电参数测量仪器大都是以8051等单片机来实现的，采样点数少，精度不高，无法进行高速采集。由于变频电源的输出频率是可以在一定的范围内变化的，所以要保持变频电源整周期采样控制很困难，只有采用一定的非同步算法，才能得到较为精确的结果。因此，研究一种适用于变频电源的多功能测量设备变得迫切，变频电源的谐波检测对于谐波抑制也有着积极的意义，对于其它的电源设备也有着普遍意义。
【发明内容】
[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、测量精度高的基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统。
[0006]本实用新型解决上述问题的技术方案是:一种基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统，包括电流传感器、电压传感器、信号调理模块、A/D转换模块、FPGA、微处理器以及通信模块，所述电流传感器与变频电源相连，其信号输出端与信号调理模块相连，将采集到的电流信号送入信号调理模块，所述电压传感器与变频电源相连，其信号输出端与信号调理模块相连，将采集到的电压信号送入信号调理模块，信号调理模块与A/D转换模块相连，电流、电压信号经信号调理模块滤波、整形后送入A/D转换模块，A/D转换模块与微处理器相连，所述微处理器与通信模块相连，所述FPGA分别与A/D转换模块、微处理器、通信模块相连。
[0007]上述基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统还包括显示模块,所述显示模块与微处理器相连。
[0008]上述基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统中，所述A/D转换模块与微处理器之间设有双口 RAM模块。
[0009]上述基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统中，所述微处理器的主芯片采用TMS320F2812。
[0010]上述基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统中，所述A/D转换模块的主芯片采用 AD7606。
[0011 ] 上述基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统中，所述通信模块的主芯片采用CY7C68013。
[0012]本实用新型的有益效果在于:电流传感器、电压传感器采集变频电源的电流、电压信号，电流、电压信号经信号调理模块滤波、整形后送入A/D转换模块，A/D转换模块将转换后的数字信号送入微处理器，微处理器将结果在显示模块中显示出来并经通信模块送到上位机，本实用新型能够对变频电源电参数进行测量，测量精度高，充分发挥了微处理器DSP的运算能力，极大地提高了测量的实时性，并且操作简便，具有非常好的直观性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的结构框图。
[0014]图2为本实用新型双口 RAM模块主芯片的连接示意图。
[0015]图3为本实用新型A/D转换模块主芯片的连接示意图。
[0016]图4为本实用新型通信模块主芯片的连接示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0018]如图1所示，本实用新型包括电流传感器、电压传感器、信号调理模块、A/D转换模块、双口 RAM模块、FPGA、微处理器、显示模块以及通信模块，所述电流传感器与变频电源相连，其信号输出端与信号调理模块相连，所述电压传感器与变频电源相连，其信号输出端与信号调理模块相连，信号调理模块与A/D转换模块相连，A/D转换模块与双口 RAM模块相连，双口 RAM模块与微处理器相连，所述微处理器与通信模块、显示模块相连，所述FPGA分别与A/D转换模块、微处理器、双口 RAM模块、通信模块相连。
[0019]本实用新型的微处理器采用DSP，DSP是数字信号处理器(Digital SignalProcessor)的简称。DSP芯片型号为TMS320F2812。TMS320F2812的运算速度高达150MIPS，是工业界第一款32位面向自动化控制的含有片内Flash并且含有专用乘法电路的DSP。TMS320F2812主要硬件特点是:芯片采用高性能的CMOS技术，32位CPU主频高达150MHz，时钟周期为6.67ns。采用低功耗设计，当内核电压为1.8V时，主频为135MHz ;当内核电压为1.9V时，主频为150MHz。I/O引脚电压为3.3V。共可产生4路独立的PWM波形和6对12路互补的PWM波形，16通道12位ADC。
[0020]双口 RAM模块是A/D转换模块与微处理器的缓冲模块，双口 RAM模块采用IDT公司64KX16bit的双口芯片IDT70V28。如图2所示，芯片IDT70V28具有两套互相独立的控制线(OEL、OER、R/WL、R/WR、CEL、CER、INTL)、地址线(AL[0:15]、AR[0:15])和数据线(DL[0:15],DR[0:15])，双口芯片IDT70V28是以外扩RAM的形式连接在DSP TMS320F2812上面的。
[0021]A/D转换模块的芯片采用Analog Device公司的AD7606，AD7606是一种高速、低功耗的芯片；它具有8通道支持同步采样，采样值具有16位精度；它具有±10 V和±5 V双模数转换器能真正的支持交流采样。如图3所示，REFIN/REF0UT引脚既可以使用2.5V基准电压，以在内部产生4.5V片内基准电压，也允许施加一个2.5V外部基准电压，所施加的
2.5V外部基准电压也会被内部缓冲放大至4.5V。REF_SELECT引脚是一个逻辑输入引脚，允许用户选择内部基准电压或外部基准电压。如果此引脚设为高电平，则选择并使能内部基准电压模式。如果此引脚为逻辑低电平，则内部基准电压禁用，必须将外部基准电压施加到REFIN/REF0UT引脚。无论使用内部还是外部基准电压，都需要对REFIN/REF0UT引脚去耦。REFIN/REF0UT引脚需要10 μ F陶瓷电容去耦。CONVST引脚用来控制AD采样的转换过程，它的内部含有振荡器可以只用一个采样时序脉冲便最多产生8路采样保持的功能，它一共包含2个CONVST引脚，可以将2个引脚短接从而控制8个模拟的采样，在不短接的情况下分成两组，每组控制4个模拟输入通道；它具有过采样的功能，通过选择过采样模式可以进一步加强芯片的抗噪声性能，这相当于该芯片内部含有滤波器的功能。芯片内部含有低压差稳压器，接通电源后能发出2.5V基准电压；AD7606芯片的这些集成功能，大大简化了数据采集系统的设计。
[0022]本实用新型的通信模块采用CY7C68013芯片。CY7C68013芯片它有2种类型:一种是128引脚的，这种芯片功能很多，它可以通过外扩内存来加大存储空间，另外它的两个串口可用来实现与其他MCU通信，并且能够支持在线仿真，其它功能引脚也比较多，但是设计起来较为复杂；还一种是56引脚的，这一种芯片的突出优点是设计简单，价格便宜，而缺点则是不能外扩存储器，也不能支持在线仿真，其它的功能引脚很少。本实用新型选用56引脚的CY7C68013-56，如图4所示，其主要引脚如下:ΕΡΒ0-ΡΒ7端口 B，复用引脚，可设置为GPIF数据线的低八位FD[0 ]~FD[7] ； PD0~PD7端口 D，复用引脚，可设置为GPIF数据线的高八位FD[8rFD[15];读写信号SLRD和SLWR以及状态标志引脚FLAGA、FLAGB, FLAGC由FPGA控制，引脚FLAGA~FLAGC用来定义端点FIFO的状态，图中的FIF0_prog表示FIFO可编程，FIF0_full表示FIFO已满，FIF0_empty表示FIFO已空；ΡΑ0-ΡΑ7端口 Α，复用引脚。ΡΒ0-ΡΒ7与PD(TPD7合起来，通过相应的内部寄存器控制，可以作为16位数据总线，然后与DSP的数据总线相连；FLAGA、FLAGB, FLAGC三个FIFO的状态标志位与FPGA自定义引脚相连，FPGA通过这三个USB的FIFO状态位与读写信号SLRD和SLWR来控制USB CY7C68013的传输。USB D+和USB D-是USB的数据线，USB D+与USB D-通过USB数据线与上位机的USB端口相连。
[0023]FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)领域中的一种半定制电路出现的，它的出现不但解决了定制电路的不能自定义的缺点，而且又解决了旧一代可编程器件产品中门电路数有限的问题，同时它也是介于通用器件和真正ASIC之间的一个宽阔中间带，给各类用户提供了极大地方便。FPGA采用EP2C8Q208芯片。它具有8256个逻辑单元，内置4K RAM，2个锁相环以及18个乘法器模块。测量系统中使用50M的片外有源晶振作为EP2C8Q208的工作时钟，其内核工作电压为1.2V，可提供2.5V、3.3V等逻辑电压，方便与DSP等其他芯片连接。EP2C8Q208通过自定义引脚与AD7606和IDT70V28的控制引脚相连，同时也与DSP2812通过数据总线和地址总线相连。FPGA主要完成三个方面的功能:首先是产生AD7606和用于计数的基数时钟，用于控制AD7606的采样率；第二个功能是控制双口 RAM模块的读写时序；第三个功能是控制通信模块芯片CY7C68013。
[0024]本实用新型的工作原理如下:电流传感器、电压传感器采集变频电源的电流、电压信号，电流、电压信号经信号调理模块滤波、整形后送入A/D转换模块，A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号后将数字信号送入双口 RAM模块中，双口 RAM模块将数字信号送入微处理器，微处理器将结果在显示模块中显示出来并经通信模块送到上位机，本实用新型能够对变频电源电参数进行测量，测量精度高，充分发挥了微处理器DSP的运算能力，极大地提高了测量的实时性，并且操作简便，具有非常好的直观性。
【权利要求】
1.一种基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统，其特征在于:包括电流传感器、电压传感器、信号调理模块、A/D转换模块、FPGA、微处理器以及通信模块，所述电流传感器与变频电源相连，其信号输出端与信号调理模块相连，将采集到的电流信号送入信号调理模块，所述电压传感器与变频电源相连，其信号输出端与信号调理模块相连，将采集到的电压信号送入信号调理模块，信号调理模块与A/D转换模块相连，电流、电压信号经信号调理模块滤波、整形后送入A/D转换模块，A/D转换模块与微处理器相连，所述微处理器与通信模块相连，所述FPGA分别与A/D转换模块、微处理器、通信模块相连。
2.如权利要求1所述的基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统，其特征在于:还包括显示模块，所述显示模块与微处理器相连。
3.如权利要求1所述的基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统，其特征在于:所述A/D转换模块与微处理器之间设有双口 RAM模块。
4.如权利要求1所述的基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统，其特征在于:所述微处理器的主芯片采用TMS320F2812。
5.如权利要求1所述的基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统，其特征在于:所述A/D转换模块的主芯片采用AD7606。
6.如权利要求1所述的基于DSP与FPGA的变频电源电参数测量系统，其特征在于:所述通信模块的主芯片采用CY7C68013。
【文档编号】G01R31/42GK203732702SQ201420090406
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】罗小丽 申请人:湖南电气职业技术学院