基于FPGA的多路同步实时数据采集系统

测控技术与仪器仪表Ｍｅａｓｕ他ｍｅｎｔ

Ｃｏｎｔｒｏ｜ＴｅｃｎｎｏＩｏｇｙ

ａ

ｎａＩｎｓｔ帅ｅｎｔｓ

基于ＦＰＧＡ的多路同步实时数据采集系统

侯朝勇，胡学浩，庄童

（中国电力科学研究院，北京ｔ００１９２）

摘

要：结合数据采集系统在电力系统中的应用，设计了一种基于ＦＰＧＡ的多路同步实时数据采

集系统，该系统将多个功能模块集成到一片ＦＰＧＡ中，构成片上可编程系统，使用一片ＦＰＧＡ完成对Ａ／Ｄ转换和双口ＲＡＭ等模块的控制；给出了系统的硬件原理框图，并结合系统的设计方案对其中的

主要功能模块进行了阐述；以此构成的多路同步实时数据采集系统具有性能稳定、实时性强、集成度高、扩展性灵活等特点。

关键词：ＦＰＧＡ；Ａ／Ｄ；双口ＲＡＭ；多通道

中图分类号：ＴＮ７９；ＴＰ２７４

文献标识吗：Ｂ

ｏｎ

Ｍｕｈｉ－ｃｈａｎｎｅｌｓｙｎｃｈｒｏｎａｌｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ

ＨＯＵＣｈａｏＹｏｎｇ，ＨＵＸｕｅＨａｏ，ＺＨＵＡＮＧＴｏｎｇ（ＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９２，Ｃｈｉｎａ）

ＦＰＧＡ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｏｖｅｌｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌｓｙｎｃｈｒｏｎａｌ

ｓｐｅｅｄｄａｔａｏｆＦＰＧＡ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；Ａ／Ｄ；ｄｕａｌ—ｐｏｒｔＲＡＭ；ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ

随着可再生能源应用的日益增多，以此建立的分布式发电系统也逐渐增加。为了更好地对分布式电源进行控制，通常需要对多个模拟信号进行实时数据采集，同时为了保证数据的一致性，必须同时对数据进行采样［１－２１。常用的数据采集方案往往以单片机为控制核心，控制Ａ／Ｄ（模数转换器）对多路信号进行采集及处理，但由于单片机本身的指令周期以及处理速度的影响，难以达到对多通道高速数据实时采集的要求；并且单片机控制的各种功能模块要靠软件的运行来实现，软件运行时间在

整个采样时间中占很大的比例，对并行的多路高速数据采集的速度和效率较低；而ＦＰＧＡ在高速数据采集方面相比单片机具有较好的优势，全部控制逻辑由硬件来完成，适合对时序要求严格的多路高速实时数据采集系统１３Ｉ。

１系统结构图

分布式电源通常通过并网逆变器接入电网，为了实现对分布式发电的灵活控制，需要采集电网侧的电压电流信号、分布式电源逆变器侧的电压电流信号以及逆变器直流母线侧的电压和电流。采集系统整体结构如图１所示。主

逻辑

１

ｌ电网侧电压ｌ

－．

１电流信号Ｉ

７

信号处理

ｌ侧电压电流卜＿—＿＋

信号

电路

一！兰兰悟

上ｂ世

ＡＩＤ

●＿＿＿－＿＿＿－。。＿＿＿＿－。。。＿＿＿＿＿＿。－。●一

控制模块

Ｈ釜品拔卜一

双口ＲＡＭ

ＣＹ７Ｃ０２６Ａ

ＤＳＰ

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２

ｌ电流信号ｌ

叫处理ＦＦ模Ｔ块ｌ

广＝＝＿＝＝＝］

图１系统硬件结构框图

《电子技术应用》２００９年第１０期１０３

测控技术与仪器仪表

ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌ

ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ

要包括电压电流互感器、强电隔离电路、模拟信号处理电路、模数转换（Ａ／Ｄ）电路、Ａ／Ｄ控制电路、ＦＦｒ运算电路、频率测量电路、三相ＰＬＬ相位锁定电路、双口ＲＡＭ控制模块以及ＣＰＵ对ＦＰＧＡ控制的逻辑控制模块等１４１。

设计的采集系统主要采用Ａｈｅｒａ公司的ＦＰＧＡ（Ｃｙｃｌｏｎｅ

ＩＩＥＰ２Ｃ２０Ｑ２４０）来实现［６１。在ＦＰＧＡ内部，集成了大部分

ＦＰＧＡ中的寄存器来确定采取何种模式，这样ＣＰＵ可以根据实际需要单独地对某一路信号进行采样。在此设置为循环模式，在第一个读信号ＲＤ到来时读取通道Ａ０的数据，第二个读信号ＲＤ到来时读取通道Ａ１的数据，随后是Ｂ０、Ｂ１、ＣＯ和Ｃ１，ＡＩＤ转换时序图如图３所示，每个读操作将使ＡＤＳ７８６４输出１６位信息，其中Ｄ１５用于表明读出数据是否有效（“ｌ”有效），Ｄ１４、Ｄ１３、Ｄ１２用于表示所读出数据的通道，ＤＯ－Ｄ１ｌ为该通道采样结果数据。

的控制模块，主要有Ａ／Ｄ转换控制模块、双口ＲＡＭ控制模块、频率测量模块及ＦＦＴｒ运算模块等，采集到的数据存储到外部的双口ＲＡＭ中，以便与ＣＰＵ共享数据。

２系统模块设计

２．１模拟信号处理电路

ＣＬＫ

模拟信号处理电路如图２所示，主要ＨＵ山Ａ］厂—————————————————弋————————一处理传感器输出的模拟信号，并送入Ａ／Ｄ＝＝］厂——————————————————————————一

模块。电阻尺ｌ的阻值选择１０ｋＱ，可以减少整个电路对干扰的敏感性；电容Ｃ。可以

蕊

ＢＵＳＹ———］厂］厂］广——一

Ｕ丽

１ｎ１１ｎｎｎｌｌｎｎｎｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｎｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｎｎｎｌｌｎｌ０１１１唧１肿

减少高频干扰电流的差模和共模的干扰，—————————————————————————］０１１１１厂

为了使信号不产生延时，电容值一般选取１００ｐＦ以下；为了使整个电路有很强的抗共模干扰能力，在运算放大器的同相输入端接２Ｒ２的电阻以使整个电路保持较好的对称性；输入端的２个分裂电阻之间接簌位二极管以对整个电路保护，防止突然的过电压，簸位二极管应该选择具有低反向电流的快速二极管，在本设计中选用安捷伦的ＨＳＭ￥２７０２。

根据系统要求，采用３片６通道的ＡＤＳ７８６４构成Ａ／Ｄ转换电路，ＦＰＧＡ和Ａ／Ｄ的硬件 …… 此处隐藏：5513字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……