基于FPGA的新型谐波分析仪设计
图3
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bsp; 从该系统结构可见，其FFT运算处理单元承担FFT运算的巨大运算任务，从而大大减轻了控制单元的工作量，其处理器单元Nios只需完成TCP/IP的协议实现和简单的控制功能。该系统提供了Ethernet和标准RS485接口，可以直接接入局域网或通过标准IEC4000-5-104规约直接接入电力调度网，具有良好的网络通信功能，便于用户将该分析仪无缝接入电力调度网或生产控制网。用户可以通过局域网对该分析仪进行控制或进行谐波数据传输，也可直接在该仪器上进行控制数据查阅。
2 系统具体实现
CT/PT传感器单元是该系统的关系环节之一，其性能直接决定整个系统能达到的精度等级。对其性能的主要要求有非线性度、相移、线性范围、小信号响应和高频衰减。非线性度、相移、线性范围是最基本的性能指标，按照该系统的精度要求，非线性度必须小于0.1%；相移必须小于5'；线性范围必须大于系统的输入范围并20%的裕量。小信号响应主要针对于CT，因输入电流从0～15A变化，当输入电流非常小时仍然需要精确变换，因此对CT的小信号性能要求较高。高频衰减指标主要对高次谐波，通常传感器对于高频率信号有较强的衰减作用，表现为低通滤波器。而本系统最高需对2.5kHz信号进行采样分析，因此高频衰减也是非常重要的指标不。本系统按照以上指标选用高性能CT/PT传感器，满足系统的精度要求。
A/D采样单元采用了Maxim公司的MAX125高速8通道14位同步A/D采样芯片，该芯片具有8个采样通道，可以时对4个通道进行扫描采样，每个采样周期只需对该芯片进行两次读操作便能完成8个通道的采样。A/D转换使用逐次逼进去，采样总速率为250kHz，4通道同步扫描采样时单个通道的采样速率大于30kHz，远远超过本系统对16个通道同步采样的速率要求。该芯片通过内部集成的多路开关来实现4通道同步扫描采样，芯片内部有一个4×16位的RAM用于存放每次扫描采样的4通道数据。该芯片提供了14位的数据线，可以在一次扫描采样结束后在4个时钟周期内将4个采样结果全部输出。当采样位数为14位，其LSB代表（1/2 13）VIN（VIN为最大电压输入值）即VIN/8192，而该芯片的采样误差仅为2个LSB即2VIN/8192，约为0.025%VIN，所以该采样芯片能较好满足本系统的精度要求。系统对单个通道的采样速率要求为12.8kHz（每工频周波采样256点），而该芯片的单通道采样速率大于30kHz，所以该芯片能较好满足本系统的采样速率要求。
从FFT的分析可知，其误差很大程度来自采样窗口和实际波形的同步不严格，造成频谱泄漏。为消除频谱泄漏引起的误差，常用的方法有：硬件同步、加窗处理。硬件同步的方法比较多，常用的主要有使用PLL电路进行同步。按照GB/T14549-1993要求，只允许使用矩形窗和汉宁窗，使用矩形窗时窗口间不能有间隔和重叠。为减少信号的混叠和频谱泄漏，本系统的A/D采样单元通过使用高精度的PLL实现严格的同步采样，以保证窗口间无重叠和间隔，并能严格与被测信号频同步，并在FFT运算单元实现了加汉宁窗处理。采样单元基本原理如图2所示。
FFT运算处理单元基于一块Altera公司的EP1C20FPGA芯片，该芯片带有294912位RAM，具有20060个LE，最大I/O引脚301。FFT运算处理单元采用先进的多层并行流水线技术，工作在30MHz的频率下，可以在1ms内完成8路工频输入信号的256点FFT运算处理。该处理单元的原理如图3所示。
该单元实际包含两大部分，即采样控制逻辑部分和FFT运算部分。采样逻辑部分负责MAX125的读数据逻辑控制。FFT运算部分包括FFT控制逻辑、采样数据缓存、FFT处理核与结果存储FIFO。从IDT72V845输出的14位采样数据，首先暂存于采样数据缓存中；然后FFT处理核从该缓存中读取数据进行处理；处理完毕的数据存放于结果FIFO中；FFT控制逻辑单元向Nios处理器申请中断，Nios处理器响应应该中断向FFT控制逻辑单元发送读信号；然后从结果FIFO读取分析结果。
以往FFT设计中，往往使用定点数。因为使用定点数时，系统结构相对简单、运算速度快，但精度不高。在FPGA中使用浮点数时，系统相对设计复杂，但精度高。基于本系统对精度的苛刻
《基于FPGA的新型谐波分析仪设计(第2页)》
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