基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统

FPGA实现的交流量采样处理控制软件由五部分组成：

第一部分为设定的3个与A/D采样有关的16位指令寄存器组：A/D参数寄存器（ADPR）、输出控制寄存器（ADOR）、A/D控制寄存器（ADCR）。

ADPR（XXXXXXXXX XXXXX XX）的各位定义如下：位1、位0选择每周波采样的点数（00表示每周波采16个点，01表示每周波采32个点，10表示每周波采64个点，11表示每周波采128个点）。位6～位2用来表示FPGA的时钟频率，00001表示时钟频率为1MHz，11111表示时钟频率为31MHz，00000表示时钟频率为32MHz。位15～位7表示所采样信号的频率，这9位表示的范围为1Hz～512Hz。

ADOR是与FPGA输出有关的寄存器。该寄存器的作用是：当MCU要读取某通道信号的信息时，FPGA应该输出该信号的哪次谐波电压。如为FFFFH，表示DSP读到的是该通道信号的有效值；如果ADOR的值为0010H，那么，DSP读到的是该通道信号的2次谐波电压。

ADCR寄存器控制A/D采样的通道数的选择以及与A/D采样有关的寄存器的复位控制等，这也是考虑到系统的通用性而设计的：如000C表示采样第11路交流模拟量电压；0011则表示同时采样前六路信号等等。

第二部分为设计产生A/D与CD4051芯片的控制信号。如在图2中，在采样12路交流模拟量的情况下，FPGA需要产生7路控制信号，这7路控制信号应该满足一定的时序要求。图3给出了同时采样前六路信号时FPGA的控制信号时序。

Abcs2[0,1,2]总线信号实际上是多路开关通道选择的3个控制信号selA、selB、selC。需要说明的是，因为要进行修正，在对6路交流信号采样的同时，也对4051的+5V和AGND进行了采样，所以实际上测量的通道数为8路。

从图3可看出，abcs2[0,1,2]总线信号每19.531 25μs加1，每156.25μs重新循环一次，满足8路交流同步采样的要求。

从25μs时刻的局部放大图可以看出，当（23.6μs时刻）4051选择通道1时，ADS774的CS和R/C信号同时为低，延时0.5μs左右CE端出现上升沿（24.1μs），启动A/D转换，这符合ADS774的A/D转换时序。需要指出，如果CE端直接接高电平，那么，R/C的下降沿将直接启动A/D转换。之所以用两个信号来启动A/D转换，是为了减少A/D的误触发。考虑到4051的导通延时，所以在通道切换0，5μs后才启动A/D转换。图3中没有画出4051的INH信号，在采样前6路交流信号时，该信号一直为低。如果同时采样12路信号，那么，abcs2[0,1,2]总线信号每9.765 625μs加1，每78.125μs重新循环1次；INH信号每78.125μs电平变化1次，用来选择哪个4051导通。

第三部分为A/D输入数据缓冲区和数字滤波模块。A/D转换完成后，ADS774的引脚STS给FPGA输出转换完成信号（低电平）。FPGA接收这一信号后，将产生读ADS774的时序，把12位的A/D转换数据读入到数据缓冲区的二维数组datain(abcv)（sampn）中。Abcv为通道号，sampn表示周波信号中所采样的第几个点。将一个周期的12路信号采样完后，置标志ADFLAG为1，进行数据的滤波处理。首先，对datain(abcv)(sampn)的值进行修正；给定sampn，对前6路信号来说，datain(7)(sampn)存储的是AGND的A/D转换值，将datain(i)(sampn)减去datain(7)（sampn）的值存储在datamid(i)(sampn)中（i=1,…，6）。与此类似，后六路的采样值datain（i）(sampn)减去datain(15)(sampn)的值存储在datamid（i）(sampn)（i=8,…，14）。然后，给定abcv，对datamid(abcv)(j)(j=0,…，15)这16个点的数据进行FIR滤波，将FIR滤波后的数据存储在datamd(abcv)（sampn）数组中。

第四部分是均方根有效值计量和FFT谐波分析模块。输入的数据经过处理后，首先进行均方根有效值的计算。给定abcv，先求出datamd(abcv)(j)(j=0,…，15)这16个点的平方和，将其

《基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统(第2页)》