【正文】 ............................. 61 系數(shù)的生成 ......................................................................................... 62 FIR 濾波器實現(xiàn) ................................................................................... 63 本章小結(jié) ...................................................................................................................................... 66 第 七 章 總結(jié)和期望 ............................................................................................ 67 參考文獻 ............................................................................................................ 69 附錄 ................................................................................................................... 72 致謝 ................................................................................................................... 74 作者簡介 ............................................................................................................ 75 I 摘 要 隨著科技的日益更新，現(xiàn)在的產(chǎn)品對信息的實時性、系統(tǒng)的可擴展性、電路的集成度等要求也越來越高。 本設計的總體架構(gòu)是建立在 FPGA 的采集平臺上。在完成后硬件設計之后，本文對硬件電路中使用的數(shù)據(jù)采集芯片進行了詳細的時序分析，在 FPGA 中實現(xiàn)了軟件采集編程和時序仿真，并對數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)傳輸做了詳細的分析、探討。 關鍵詞 ： FPGA，模數(shù)轉(zhuǎn)換器， FIR 濾波器，分布式算法，抗干擾 II Abstract With the increasingly updated technology, the requirements for products on realtime of information, extendibility of system and the integration of the circuit are higher and higher. In the aspect of data acquisition, as the implementation of port resources are limited and its sequence of work mode ,the traditional AD sampling method SCM, DSP have could not met people39。 我國 是 一個燃煤大國，在我國的發(fā)電主要還是以火力發(fā)電為主，在 20xx 年，全國火電電量為 38137 億千瓦時，占全部發(fā) 電量的 %。 根據(jù)工作原理的不同，可將除塵器分為以下幾種：洗滌除塵、機械除塵、過濾除塵和靜電除塵等。 而其 不足之處主要是要求采用半控型器件、工頻變壓器和濾波器，重量體積 都很大，并且調(diào)整管的功耗較大，使電源功率因數(shù)小且效率大大降低，一般情況不超過 50%。開關電源的優(yōu)點：效率高，可靠性和穩(wěn)定性較好，體積小、重量輕，對供電電網(wǎng)電壓的波動不敏感，在電網(wǎng)電壓波動較大的情況下，仍能維持比較穩(wěn)定的輸出。 相關技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 電除塵器高頻電源的發(fā)展則要追溯到 20 世紀 90 年代初，由美國學者 Liberati Gug lielmo 在 1993 年開發(fā)出高頻開關保護電源，使之適用于電除塵器，并對故障跟蹤的保護設計做了初步的設想。 相比較與國外的早起點、快速發(fā)展，國內(nèi)高頻直流高壓開關電源研究起步較晚 。經(jīng)過幾年的努力，各自取得了重大的突破，并研發(fā)出擁有各自知識產(chǎn)權(quán)的電除塵器高頻電源。 這樣在環(huán)境惡劣的情況下，就會使采集系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定，直接導致了整個設備的工作不穩(wěn)定。 （ 2） 硬件 調(diào)理 部分包括硬件電路設計和實驗結(jié)果分析 。 （ 4）數(shù)字濾波部分是對在 FPGA 內(nèi)部實現(xiàn) FIR 濾波器的研究。同時，對傳統(tǒng)的 數(shù)據(jù)采集方式和基于 FPGA 的采集方式作出詳細的比較說明， 并確定了 本設計中采用的數(shù)據(jù) 采集方式 —— 基于 FPGA 的并行采集模式。而其自主判斷的前提就必須對南京信息工程大學碩士學位論文 4 其運行過程中的各種技術(shù)參數(shù)進行實時監(jiān)控，因此一套可靠、安全的采集系統(tǒng)是保證電除塵器高頻電源正常運行的重要前提。所以設計前，對其工作的環(huán)境需進行最大限度的設定，因為硬件的設計的成功與否與各種器件的選型有直接的關系。 第五章主要是 FPGA 的模塊化程序設計。數(shù)字濾波等信號處理一般都由 DSP 處理來完成。 第二章 系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu) 5 第二章 系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu) 上一章在介紹高頻電源的相關 國內(nèi)外情況后，在本章將對高頻電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做出總體設計，并對采集系統(tǒng)的核心 —— 采集方式做出選擇。因此，采集系統(tǒng)必須盡可能實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的采集 與 傳輸。因此為減少不必要的成本，在當時的設計中留有一定的余地進行擴展也是一項重要措施。因此在進行硬件設計時，器件選型是一項重要的工作。但由于高頻電源的全國分布和技術(shù)人員數(shù)量的限制，因此，設備的 易 維護性問題必然也是系統(tǒng)設計考慮的一個不可或缺的因素。 顧名思義，其最大的優(yōu)勢 就是 強大的數(shù)字處理能力和較高的運行速度，所以經(jīng)常用來計算，比如進行加密解密、調(diào)制解調(diào)等 ； （ 3） FPGA，可編程門陣列，其編程語言也不同于 ARM 和 DSP，有兩種可用 VHDL 和 Verilog HDL—— 本設計采用 Verilog HDL 語言 ，靈活性強，由于能夠進行編程、除錯、再編程和重復操作，因此可以充分地進行設計開發(fā)和驗證。 下面對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式和基于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集方式作出如下對比 。 （ 2）工作模式 傳統(tǒng)采集 模 式：傳統(tǒng)采集方式所用的 DSP 或單片機的工作模式是串行的，雖然其通過快速中斷模式可以實現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其指令更適合實現(xiàn)算法而不是邏輯控制，其外部接口的通用性較差。 （ 3）采集頻率 傳統(tǒng)采集模式： DSP 或單片機的編程控制是有指令集完成，指令集的執(zhí)行必遵循指令周期。且當采集的對象處于干擾嚴重或高壓環(huán)境下，對模擬信號的隔離也需做特別處理。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 由上文可知，電除塵器高頻電源的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是建立在 FPGA 的 采集 平臺上 。因此在信號采 集之后、 AD 轉(zhuǎn)換之前對信號進行一定的調(diào)理是非常重要的，而對信號的調(diào)理電路也成為采集電路不可或缺的一部分。由于 FPGA 的并行模式特點，因此對數(shù)據(jù)的采集采用模塊化設計，并行對每一路 AD 采集、 濾波、高低限判斷、存儲 。因為本文的研究重點是數(shù)據(jù)采集，所以只考慮 FPGA 中數(shù)據(jù)向 DSP 的傳輸。最后總結(jié)出，基于FPGA 的高速、并行采樣方式更能夠滿足電除塵器高頻電源的要求，并且對設備的性能也有一定的提升作用。通過 在正極與負極之間施加 高壓直流電， 使其中 維持 一個足以使氣體電離的靜電場，見圖 31， 氣體電離后所生成的電子，陰離子和陽離子，吸附在通過電場的粉塵上，而使粉塵獲得荷電 ， 荷電粉塵在電場力的作用下，便向電極性相反的電極運動而沉積在電極上，從而達到粉塵和氣體分離的目的 [9]。因為硬開關直接在大電流、大電壓下關斷和開通，導致開關損耗過大，從而使整個高頻電源的效率降低，并且直接對電路溫升設計和 EMC 設計造成了很大的難題。 電除塵器高頻電源是利用高頻開關技術(shù)而形成的逆變式電源，采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）技術(shù)，其供電電流是由一系列窄脈沖構(gòu)成，可以給電除塵器提供具有從接近純直流到脈動幅度很大的各種電壓波形。以高速、大功率開關器件 IGBT 作為逆變功率器件，將電除塵器電源的工作頻率提高至 20kHz，降低變壓器損耗。 控制電路屬于弱電部分，其中包括各種數(shù)字、模擬量的采樣電路，故障保護電路，溫度檢測電路， PWM 信號驅(qū)動電路，串口通信和 CPU 控制系統(tǒng)等處理單元。 由于所要采集的信號 數(shù)量級相差很大，有的電壓高達幾百伏，而有的電流則小至幾十毫安，控制電路采集的電流電壓信號是直接從高壓回路中通過采樣或分壓的方式采集，直接送入控制電路可能會導致微處理器及外圍電路損壞，因此需采用前端信號調(diào)理電路對采集信號進行預處理，并且需要對各部分的電路進行隔離以降低干擾。它所實現(xiàn)的作用是將在整個高頻電源各部位采集得來的各項數(shù)據(jù)指標經(jīng)過再次調(diào)理輸出到 IFIX 監(jiān)控上位機以 實時 反映設備在運行中的狀態(tài)，并且是上位機對整個系統(tǒng)控制的唯一監(jiān)控傳輸站。由于高頻電源采用的是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，所以重要的 PWM 信號是驅(qū)動整個設備工作的關鍵。在本電源采集的信號中，輸出的二次高壓（最高可達 70KV 以上 ）和二次電流（高達 ）是比較特殊的一組，所以需要必要的手段對其進行降壓和減流，達到一般的弱電等級信號，在進行調(diào)理和采集。數(shù)字信號調(diào)理電路主要實現(xiàn)對數(shù)字信號的調(diào)理，主要以下功能： （ 1）繼電器輸出控制：將由 DSP 控制起發(fā)送控制信號，在 FPGA 中譯碼，輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動各路中間繼電器啟動設備（如風機、主回路接觸器、預充電回路接觸器等）。 （ 3） IGBT 驅(qū)動信號及故障反饋電路：這兩種信號不同于以上兩種信號，屬于高頻信號。 模擬信號 調(diào)理 電路 模擬信號 調(diào)理 電路的主要功能是對主電路的電壓、電流、溫度等信號進行采集、第三章 電除塵器高頻電源介紹 13 調(diào)理 。 首先根據(jù)電除塵器高頻電源的工作原理和結(jié)構(gòu)來決定數(shù)據(jù)采集的指標以便對高頻電源的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和故障診 斷。因此，對各種信號量的監(jiān)測是保證設備正常運行的重要手段。母線電壓仿真波形如下圖 所示 。 而 分流器檢測方法由于分流器的體積過大一直不能廣泛應用。 相電流是 三相線路 供電電壓中一相 的電流值。 其采樣方式與相電流相同， 主要通過在連線上加裝電流互感器，測量電流信號。設計過流保護電路及電流正、反向過零檢測三路比較電路，過流保護電壓值為 1V 對應 1200A 電流。而由于電流互感器只能測量交流信號，對直流信號會有“磁疊加”現(xiàn)象，使被測信號零點出現(xiàn)偏移。 二次電壓（電除塵器高頻電源的輸出電壓）采集方式也是通過在高壓采集板上的分壓電阻取得低壓小信號。 ? 電阻功率：隨著電阻功率和阻值增加電感也會增加，因此須對阻值與電感綜合考慮。分壓電阻為 150MΩ，采樣電阻為 5kΩ、 1%精度 。 第三章 電除塵器高頻電源介紹 17 圖 38 二次電流、二次電壓仿真波形圖 （ 6）變壓器油箱的油溫 變壓器是高頻電源的核心部件，工業(yè)中變壓器最常用的是油浸式變壓器，其工作狀態(tài)受油的質(zhì)量、溫度影響很大，因此必須對變壓器的油溫進行監(jiān)測，保證變壓器的正常運行。 （ 7） 4 路 IGBT 模塊的溫度 IGBT 在運行過程中會有導通功耗與開關損耗，表現(xiàn)為發(fā)熱，需用散熱器把熱量傳導到外部。為保證可靠性，每個 IGBT 模塊一個溫度探頭 。在本設計中，研究對高頻電源的數(shù)字信號的采集，暫且不論低壓振打部分，但在電路設計時應該考慮在內(nèi)。主接觸器位于三相電的入口處，通過 對主接觸器的開通、關斷來控制設備的起停。 （ 3）控制系統(tǒng)電源供給狀態(tài)。 （ 5）因為是對 IGBT 的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，而 IGBT 發(fā)生故障時能夠越快采取動作，產(chǎn)生的損害也就越小，因此， IGBT 故障的反饋信號也做到 20KHz。 然后在確定了電除塵器高頻電源的各個采集指標后，對每個采集的數(shù)據(jù)進行了詳細的說明，包括頻率、幅值、波形等屬性，是后文中硬件電路設計和軟件采集的前提和基礎。因此在進行供電電源設計時，特別進行了設計。抑制器是整個電路的輸入門檻，起到保護后級電路的作用；濾波電路種類繁多，針對不同信號靈活運用，其中 RC 一階 濾波器簡單，易于實現(xiàn)，可在電路中多分布運用，而對噪聲干擾嚴重、特殊的 信號（比如二次電流等信號）設計濾波效果更好的二階有源濾波器；隔離電路和 AD 模塊分別應用上述典型電路的設計， 但必須 根據(jù)具體的特殊信號進行簡單的參數(shù)調(diào)整。 Cyclone系列 FPGA 是當前市場上性價比最高的 FPGA 之一。當程序少入 FLASH 后，斷電后重新上電， FLASH 中程序會自動讀入 FPGA 中 ， 保證系統(tǒng)的正常運行。 FPGA 通過對 48M 時鐘的倍頻、分頻構(gòu)成 FPGA 系統(tǒng)運行的主時鐘和數(shù)據(jù)采集時鐘。本設計采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是 Analog Devices 公司新推出的 AD7356。可以實現(xiàn)兩個通道同步采樣和轉(zhuǎn)換。Vr