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CPLD在多功能谐波分析仪设计中的应用
提出一种基于可编程逻辑器件(CPLD)的电力谐波分析仪，提高了谐波分析的精度及响应速度，同时大大精简了硬件电路，系统升级非常方便。文章给出了主要的设计过程和仿真波形。
关键词：CPLD；谐波分析；频率跟随
Application about CPLD on Design of Harmonic Analyzer
REN Zihui, LI Haigang
(Information & Electrical Engineer College, China University of Minin g & Technology,
Xuzhou 221008, China)
Xuzhou 221008, China)
Key words: CPLD; harmonic analysis; frequency?following
1采样方法比较
对三相电压、电流6路模拟量进行数据采集时，一般有两种方法：①同相电压电流交替采样法：在被测信号的一个周期内，采样256点，其中128个奇数点为电压采样点；128个偶数点为电流采样点。采电压和采电流的时差为Δt=T/256(T为被测信号周期)。由Δt引起的同相电压电流的相位误差为δui=360*f*n*Δt(度)。式中f——被测信号频率，n——谐波次数。由上式可知相位误差随时差Δt、谐波次数n增大而增大，这是造成相位差存在并且不一致的根本原因。另外还有一个原因，当电网频率畸变时，由于采样是定时采样，不能跟随频率变化，也会造成测量误差。②同相电压电流整周期同步采样法：同相电压、电流采取的是同步采样，分时传输的方法。这样，就不存在时差问题，相位差也就不存在；对于电网频率畸变的问题，常用的方法是锁相环技术。它是通过对电网电压信号取样进行带通滤波，提取出电网基波信号，然后进行整形处理，获得与基波信号频率一致的方波信号，将它进行锁相倍频，获得输出频率为f0=N*fi的方波信号，以此作为整周期同步采样脉冲信号。由此，采样间隔也就随被测信号的频率变化而相应变化，但是，这又增加了硬件的开销。在本设计中，采用的是整周期同步采样方法：由CPLD和单片机配合产生符合要求的整周期同步采样脉冲信号。
对三相电压、电流6路模拟量进行数据采集时，一般有两种方法：①同相电压电流交替采样法：在被测信号的一个周期内，采样256点，其中128个奇数点为电压采样点；128个偶数点为电流采样点。采电压和采电流的时差为Δt=T/256(T为被测信号周期)。由Δt引起的同相电压电流的相位误差为δui=360*f*n*Δt(度)。式中f——被测信号频率，n——谐波次数。由上式可知相位误差随时差Δt、谐波次数n增大而增大，这是造成相位差存在并且不一致的根本原因。另外还有一个原因，当电网频率畸变时，由于采样是定时采样，不能跟随频率变化，也会造成测量误差。②同相电压电流整周期同步采样法：同相电压、电流采取的是同步采样，分时传输的方法。这样，就不存在时差问题，相位差也就不存在；对于电网频率畸变的问题，常用的方法是锁相环技术。它是通过对电网电压信号取样进行带通滤波，提取出电网基波信号，然后进行整形处理，获得与基波信号频率一致的方波信号，将它进行锁相倍频，获得输出频率为f0=N*fi的方波信号，以此作为整周期同步采样脉冲信号。由此，采样间隔也就随被测信号的频率变化而相应变化，但是，这又增加了硬件的开销。在本设计中，采用的是整周期同步采样方法：由CPLD和单片机配合产生符合要求的整周期同步采样脉冲信号。
2.1系统的工作原理
首先让被测信号经过抗混叠低通滤波器电路进行预处理，对其中1路信号通过测频模块进行精确的频率测量，把频率参数传输到单片机，由其通过运算确定分频系数，然后，回送到CPLD的总控制器中，总控制器由此产生采样脉冲信号。在采样过程中，对于同相电压、电流信号采用的是同步保持，通过多路开关分时采样。其中，3路采样保持器的控制信号Ca，Cb，Cc，多路开关的地址选通信号A1，A2，A3由CPLD控制产生。把选通的1路信号送入AD开始转换，并检测转换结束信号。当一次AD转换结束时，通过RAM地址发生器产生的地址和读写控制时序，把AD转换的结果直接送入双口RAM存储。然后，进行下一次采样。当A相信号采样完成后，就顺序采样B相、C相信号。本设计中的MCS?51单片机主要负责运算及人机接口的管理，这将大大提高整个系统的运行效率，提高了运算的精度，又兼顾了运算的响应速度。
2.2主要硬件的选择
由于CPLD是高速器件，所以在采样频率很高的时候，多路开关和AD转换器就成为制约采样频率的主要因素。当采样频率达到兆级的时候，RAM的存储速度又成为了另外一个制约因素。
在本设计中，要求分析的谐波次数达到50次，被测信号在45Hz～55Hz范围内，频率自动跟随。根据香农定理知：采样频率应该大于或者等于被测信号频率的2倍。要求每个周期采样128点，这样总的采样频率为f=128*55*2=14.08kHz，所以采样周期为T=1/fs=71.02μs。采样保持器选择AD582，它是反馈型结构，在精度要求不高(≤0.1％)而速度要求较高时，可选用CH=1000pF，捕捉时间tAC≤6μs。多路开关选用MAX382，它开关速度快，在双电源，连续供电工作方式下，典型开关时间在100ns左右。它的主要特点是：工作电压低、通道电阻小(≤100Ω)、具有数字输入锁存、TTL/CMOS电平兼容、具有ESD静电保护功能等。ADC转换器选用MAX172，该芯片是5V电源供电的12位模数转换芯片，CMOS工艺制造，速度快，转换时间为10μs，具有基准源，外接时钟，频率要求为1.25MHz。
首先让被测信号经过抗混叠低通滤波器电路进行预处理，对其中1路信号通过测频模块进行精确的频率测量，把频率参数传输到单片机，由其通过运算确定分频系数，然后，回送到CPLD的总控制器中，总控制器由此产生采样脉冲信号。在采样过程中，对于同相电压、电流信号采用的是同步保持，通过多路开关分时采样。其中，3路采样保持器的控制信号Ca，Cb，Cc，多路开关的地址选通信号A1，A2，A3由CPLD控制产生。把选通的1路信号送入AD开始转换，并检测转换结束信号。当一次AD转换结束时，通过RAM地址发生器产生的地址和读写控制时序，把AD转换的结果直接送入双口RAM存储。然后，进行下一次采样。当A相信号采样完成后，就顺序采样B相、C相信号。本设计中的MCS?51单片机主要负责运算及人机接口的管理，这将大大提高整个系统的运行效率，提高了运算的精度，又兼顾了运算的响应速度。
2.2主要硬件的选择
由于CPLD是高速器件，所以在采样频率很高的时候，多路开关和AD转换器就成为制约采样频率的主要因素。当采样频率达到兆级的时候，RAM的存储速度又成为了另外一个制约因素。
在本设计中，要求分析的谐波次数达到50次，被测信号在45Hz～55Hz范围内，频率自动跟随。根据香农定理知：采样频率应该大于或者等于被测信号频率的2倍。要求每个周期采样128点，这样总的采样频率为f=128*55*2=14.08kHz，所以采样周期为T=1/fs=71.02μs。采样保持器选择AD582，它是反馈型结构，在精度要求不高(≤0.1％)而速度要求较高时，可选用CH=1000pF，捕捉时间tAC≤6μs。多路开关选用MAX382，它开关速度快，在双电源，连续供电工作方式下，典型开关时间在100ns左右。它的主要特点是：工作电压低、通道电阻小(≤100Ω)、具有数字输入锁存、TTL/CMOS电平兼容、具有ESD静电保护功能等。ADC转换器选用MAX172，该芯片是5V电源供电的12位模数转换芯片，CMOS工艺制造，速度快，转换时间为10μs，具有基准源，外接时钟，频率要求为1.25MHz。
在本设计中选用的是EP1K100QC208-3，它是ALTERA公司推出的ACEX1K系列下的一款FPGA芯片。上电时需要重新对芯片进行配置。片内有100，000可用门，有4，992个逻辑单元，内嵌12个EAB。每个EAB的容量为512Byte，可以非常方便地构造RAM、ROM、FIFO或双口RAM等功能。本设计中6KB的双口RAM正是基于此构建的。其有208个管脚，可用I/O管脚数为147个。
本设计的软件是在MAX+plusII10.2下完成的，顶层文件是*.gdf图形文件，低层用AHDL硬件描述语言来描述。
3.1测频模块
测频模块的主要作用是：①测量电网频率；②确定分频系数，产生跟随频率变化的同步脉冲。测频原理：由于测量的频率在50Hz左右，采用脉宽测量方式，即首先对被测信号进行2分频，使信号的正负脉宽相等，然后利用正脉宽对50MHz的标准脉冲进行计数。正脉宽上升沿来时，计数器开始对标准脉冲计数；下降沿来时，锁存当前的计数值Con。通过以下关系确定频率f、分频系数N。
分频系数为：系统时钟源频率与分频得到脉冲频率(256*f)的比值的一半再减去1，即：
3.2S/H时序控制模块
由于采用的是同相电压、电流同步采样技术，所以对S/H的控制时序要求严格。同步采集某相电压电流1次的时间≤71.02μs。同相电压、电流间要求是同时保持，分时采样。由于ADC582的捕捉时间约为6μs，所以S/H时序脉冲低电平应至少为10μs，在此期间，采样保持器处于跟踪状态；高电平为60μs，在高电平期间，采样保持器处于保持状态。前30μs对电压信号进行AD转换并存储；后30μs对电流信号进行AD转换并存储。仿真波形如图2。
3.1测频模块
测频模块的主要作用是：①测量电网频率；②确定分频系数，产生跟随频率变化的同步脉冲。测频原理：由于测量的频率在50Hz左右，采用脉宽测量方式，即首先对被测信号进行2分频，使信号的正负脉宽相等，然后利用正脉宽对50MHz的标准脉冲进行计数。正脉宽上升沿来时，计数器开始对标准脉冲计数；下降沿来时，锁存当前的计数值Con。通过以下关系确定频率f、分频系数N。
分频系数为：系统时钟源频率与分频得到脉冲频率(256*f)的比值的一半再减去1，即：
3.2S/H时序控制模块
由于采用的是同相电压、电流同步采样技术，所以对S/H的控制时序要求严格。同步采集某相电压电流1次的时间≤71.02μs。同相电压、电流间要求是同时保持，分时采样。由于ADC582的捕捉时间约为6μs，所以S/H时序脉冲低电平应至少为10μs，在此期间，采样保持器处于跟踪状态；高电平为60μs，在高电平期间，采样保持器处于保持状态。前30μs对电压信号进行AD转换并存储；后30μs对电流信号进行AD转换并存储。仿真波形如图2。
在AD582控制脉冲一个周期的高电平期间，要采集电压、电流各1次，所以多路开关MAX382需要选通2次，AD芯片MAX172也需要启动2次。第1次MAX382选通起始于AD582控制脉冲上升沿来临以后的1μs时刻；第2次起始于中间31μs处，延时1μs。这是因为采样保持器的输出还有一段波动，经过一定时间tST才保持稳定，为了量化的准确，所以在保持指令发出后，延时1μs。AD启动脉冲开始于AD582控制脉冲2μs、32μs处，也延时1μs。MAX172的控制端有：CS，HEN，RD；转换结束状态线：BUSY。当CS=0，RD=0，BUSY=0时，AD正在转换；BUSY=1时，转换结束；HEN=1，读转换结果的高4位数据，HEN=0时，读转换结果的低8位数据。该模块要结合硬件来仿真。MAX172的控制时序图如图3。
? ACEX1K100器件内嵌EAB单元，可构成容量大约为6KB的双口RAM，由于MAX172是12位AD，而MCS-51的数据总线只有8位，所以，需要把1次采样的数据分成2个字节，分别存储。因为电压、电流分时交替转换，所以，在地址发生器中要有一个确定的映射规则，调整其存储地址，以使电压、电流在双口RAM中分块顺序存储。另外，在双口RAM中，当对同一地址单元同时进行读写时，要有一个仲裁机制，对其进行控制；当读写发生冲突时，我们约定：CPLD写双口RAM具有优先权，只有当写操作结束后，MCS-51单片机才被允许读该单元。该模块的仿真波形见图4。
3.5通信模块
该模块是在CPLD内部构建一个串行发送电路端口，实现MCS-51单片机与CPLD器件之间的通信功能。(1)在正常工作模式下，频率、同步脉冲的分频系数等重要数据需要通信。(2)在系统升级模式下，单片机发送控制数据给CPLD实现升级。通信方式为串行单工通信，MCS-51单片机发送数据，CPLD接受数据。通信波特率约定为9600bps，通信的帧结构：1帧10位数据，1位起始位(低电平)，8位数据位，低位在前；1位停止位(高电平)。帧与帧之间有3位空闲位(高电平)以确保通信正确。??
3.5通信模块
该模块是在CPLD内部构建一个串行发送电路端口，实现MCS-51单片机与CPLD器件之间的通信功能。(1)在正常工作模式下，频率、同步脉冲的分频系数等重要数据需要通信。(2)在系统升级模式下，单片机发送控制数据给CPLD实现升级。通信方式为串行单工通信，MCS-51单片机发送数据，CPLD接受数据。通信波特率约定为9600bps，通信的帧结构：1帧10位数据，1位起始位(低电平)，8位数据位，低位在前；1位停止位(高电平)。帧与帧之间有3位空闲位(高电平)以确保通信正确。??
在电力谐波分析仪的设计中，CPLD的应用使采样的速率大大提高，由于采用频率跟随技术，可以满足高精度的测量需要。另外，也减轻了MCS-51单片机的负担，提高了系统的响应速度，实时性更强。该设计还有另外一个优点，系统升级方便，只要把ADC芯片换成MAX162，单片机的程序稍做修改即可。当然也可以实现在线修改，实现远程控制等功能。
工商网监
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