用TMS320LF2407和FPGA实现电能质量监测

　　摘要：提出用TMS320LF2407和FPGA实现电能监测的一种方案，阐述各模块的设计和实现方法，本方案中，FPGA用于采样16路交流信号并进行64次谐波分析；DSP和于电力参数的计算。为了提高其通用性，还用FPGA设计了与外界通信的并口、串口模块，并实现了同TMS320LF2407的并行和串行通信。
　　关键词：电能质量DSPFPGAFFTUART
　　
　　随着人们对电能质量要求的日益提高，如何保证电能质量就成为一个热门话题。电能质量监测的一项主要内容是谐波检测，即对多路模拟信号进行采集并进行谐波分析。本系统对16路50Hz模块信号进行采样并进行64次谐波分析。如果仅仅依靠一个MCU（单片机或控制型DSP）来进行处理，往往达不到实时性要求，所以采用DSP和FPGA相结合的方法。利用DSP对电力参数进行计算，利用FPGA进行谐波分析。
　　
　　系统主要包括数据采集电路、ADC模块、FPGA模块、DSP模块及上位机显示模块，其结构如图1所示。
　　
　　图1系统框图
　　
　　1数据采集电路和ADC模块
　　
　　对经过互感器调理成-3.3～+3.3V（ADC测量的最大量程）的信号进行采样。根据香农抽样定理，对最高频率fc的连续信号进行抽样，须保留其全部内容。抽样频率fs满足条件为：fs≥2fc。如图1系统框图所示，本系统中，ADC采用的是MAX125，其单通道的转换时间为3μs。若利用内部的采样保持器，可以同时采样4路信号，转换时间为12μs。为了同时采集已经过调理的16路模拟信号，必须对其进行采样/保持。在前向通道使用16路采样/保持器（SMP04），再使用多路开关（MAX306）依次选择这16路信号，输入到MAX125的一个通道（CH1A），并由FPGA发出转换信号CONVST。待转换结束，MAX125发出INT中断，通知FPGA读取转换结果。总之，由FPGA中的ADC控制模块完成对MAX125、MAX306及SMP04的控制以及对MAX125信号的中断响应。
　　
　　2FPGA模块
　　
　　FPGA模块主要完成通信、数据采集、ADC模块的数据读取、保存及底层的信号预处理计算——谐波分析。FPGA工作流程如图2所示。其子模块有：ADC控制模块、ADC采样数据保存区、FFT工作RAM、FFT运算结果保存区、开方修改正表、开方运算单元、谐波系数存放区以及串行、并行通信控制模块。
　　
　　图2FPGA工作流程图
　　
　　（1）ADC控制模块
　　
　　图3所示ADC控制模块除了完成对MAX125、MAX306及SMP04的控制外，还要响应MAX125的中断（INT）来读取转换结果，并将其保存到ADC采样数据保存区。如图3所示，为了更准确地产生控制时序，对系统的采样周期及相位的锁定都采取了相应的处理。待采样信号先经过方波转换电路，将其转换成0～+3.3V的方波信号，再经过FPGA中的数字锁相环模块，根据外部时钟和计数器测量出其周期，作为下一个待采样信号的采样周期。这样就减小了由于待采样信号频率的漂移而带来的采样周期的误差。本系统采用的数字锁相环在FPGA中实现，其具体的性能为：锁相环的捕捉带Δfmax=12.5Hz，锁相频率为50Hz±12.5Hz=37.5～62.5Hz，随后产生的采样周期Ts能够满足实际应用的要求。同时，根据多路开关信号和计数器，产生ADC采样数据保存区地址，保存来自MAX125的14位数

《用TMS320LF2407和FPGA实现电能质量监测》