【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 穩(wěn)定的輸出。但是，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源的功率開關(guān)處于開關(guān)狀態(tài)，使其存在的輸出波紋電壓較高、瞬變響應(yīng)較差，對(duì)電網(wǎng)和外部電子設(shè)備有電磁干擾等缺點(diǎn)。 電除塵器高頻電源是電除塵器電源發(fā)展的趨勢(shì)，正如上世紀(jì)八十和九十年代的電子計(jì)算機(jī)、通信和電力操作等領(lǐng)域開關(guān)電源取代了可控硅相控電源那樣，二十一世紀(jì)其他工業(yè)領(lǐng)域特別是環(huán)保領(lǐng)域開關(guān)電源將逐步取代可控硅相控電源。 作為 電除塵器高頻電源的重要核心組成部分之一的采集系統(tǒng)，更是直接關(guān)系到高頻電源性能的好壞，是保證電除塵器高頻電源的正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。 相關(guān)技術(shù)國(guó)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(jì) 90 年代初，由美國(guó)學(xué)者 Liberati Gug lielmo 在 1993 年開發(fā)出高頻開關(guān)保護(hù)電源，使之適用于電除塵器，并對(duì)故障跟蹤的保護(hù)設(shè)計(jì)做了初步的設(shè)想。 20 世紀(jì) 90 年代末 ， 美國(guó)的 NWL 公司 、 丹麥 SMIDTH 公司和瑞典的 ALSTOM 公司等的高頻開關(guān)電源進(jìn)入市場(chǎng)并應(yīng)用于電力、化工等行業(yè)。其中，瑞典的 ALSTOM 公司的 SIR 系列高頻開關(guān)電源最具有代表性，其最大規(guī)格已達(dá)到 120KV/[5]。 而電除塵器高頻電源采集系統(tǒng)的發(fā)展史則直接與 DSP 的發(fā)展相緊密聯(lián)系，從第一代的電除塵器高頻電源的生產(chǎn)開始，其控制系統(tǒng)一直由 DSP為主導(dǎo)，而隨著 DSP 的發(fā)展，其控制、采集系統(tǒng)也不斷的處于更新狀態(tài)。 相比較與國(guó)外的早起點(diǎn)、快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)高頻直流高壓開關(guān)電源研究起步較晚 。 雖然 我國(guó)的開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上可源于 20 世紀(jì) 70 年代末和 80 年代初 ， 當(dāng)時(shí)引進(jìn)的開關(guān)電源技術(shù)在高等院校和一些科研所停留在試驗(yàn)開發(fā)和教學(xué)階段 ，但是直到 21 世紀(jì)初，高頻電源在我國(guó)引進(jìn)， 而且其 高昂的價(jià)格，使其推廣使用變得尤為艱難。 20xx 年以后，國(guó)內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè) 才 先后開始了高頻、高壓開關(guān)電源的研究，以此來實(shí)現(xiàn)高頻電源的國(guó)有化。其中國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院（南京國(guó)電環(huán)?？萍加邢薰荆?、福建龍凈環(huán)保公司是電除塵器高頻電源的先驅(qū)者。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(shí)產(chǎn)權(quán)的電除塵器高頻電源。其中國(guó)電環(huán)保研究院研制的高頻電源體積小、重量輕，其輸出功率更是達(dá)到 115KW，達(dá)到了國(guó)際水準(zhǔn) [6][7]。 與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的采集系統(tǒng)也全部沿襲了國(guó)外的采集技 術(shù)，采用以 DSP 為主導(dǎo)第一章 緒論 3 的采集系統(tǒng)。但是由于國(guó)內(nèi)的電子技術(shù)相比于國(guó)外較為落后，在系統(tǒng)硬件電路采集、調(diào)理等方面的成熟度更是處于弱勢(shì)，因此在電除塵器高頻電源主電路趨于穩(wěn)定的條件下， 國(guó)內(nèi)高頻電源的故障率一直處于居高不下的狀態(tài)， 一個(gè)非常重要的方面就 是國(guó)內(nèi)高頻電源的控制系統(tǒng)或采集系統(tǒng)采用的技術(shù)更新速度慢， 且 其采集系統(tǒng)已成固化狀態(tài)，方式單一，其對(duì)硬件的依賴性很大 。 這樣在環(huán)境惡劣的情況下，就會(huì)使采集系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定，直接導(dǎo)致了整個(gè)設(shè)備的工作不穩(wěn)定。 本文的研究?jī)?nèi)容 基于目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的基于傳統(tǒng)采集方式的電除塵器高頻電源 ，本文將現(xiàn)已發(fā)展成熟的 FPGA 技術(shù) 運(yùn)用到高頻電源上 提高設(shè)備采集系統(tǒng)的性能 。本文 主要完成的工作包括采集數(shù)據(jù)分析 、 硬件 電路 設(shè)計(jì) 、 軟件采集 模塊編程和數(shù)字濾波器四 個(gè)部分 。 （ 1）采集數(shù)據(jù)分析是對(duì)整個(gè)高頻電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的研究，在設(shè)計(jì)之初對(duì)其做詳細(xì)的分析與研究，包括采集信號(hào)的種類、波形、幅值、頻率等，并對(duì)數(shù)據(jù)采集的方法做了詳細(xì)的解釋說明。 （ 2） 硬件 調(diào)理 部分包括硬件電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 。針對(duì)采集信號(hào)的特殊性，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)調(diào)理采集電路，并在最后給出硬件電路設(shè)計(jì)的仿真波形與實(shí)際實(shí)驗(yàn)波形的對(duì)比說明，驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的正確性 。 （ 3） 軟件 采集 部分包括程序設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果 。本文對(duì)硬件模數(shù)轉(zhuǎn)換器、移位寄存器等采集芯片設(shè)計(jì)出完整的接口程序，完成信號(hào)的最終數(shù)字量轉(zhuǎn)換，并給出時(shí)序仿真圖。 （ 4）數(shù)字濾波部分是對(duì)在 FPGA 內(nèi)部實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器的研究。本文詳細(xì)分析了 DA算法的原理，并根據(jù)原理在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)了 FIR 濾波器。 具體各章節(jié)大致內(nèi)容如下所述： 第一章是對(duì)本課題研究的背景和研究意義做出簡(jiǎn)單介紹，并給出目前國(guó)內(nèi)外 電除塵器 高頻電源 技術(shù) 的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。 第二章是對(duì)本文設(shè)計(jì)的總體概述， 根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)要求，給出本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則。同時(shí)，對(duì)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(xì)的比較說明， 并確定了 本設(shè)計(jì)中采用的數(shù)據(jù) 采集方式 —— 基于 FPGA 的并行采集模式。 第三章是本文設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。首先對(duì)高頻電源做了簡(jiǎn)單 的 介紹后，著重對(duì)電除塵器高頻電源的工作原理做了細(xì)致的分析，并確定電除塵器高頻電源采集的數(shù)據(jù)參數(shù)。電除塵器高頻電源是一種自主進(jìn)行故障判斷的設(shè)備。而其自主判斷的前提就必須對(duì)南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 其運(yùn)行過程中的各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yùn)行的重要前提。 第四章是電除塵器高頻電源的采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)前 ，必須考慮到設(shè)計(jì)對(duì)象的工作環(huán)境。因?yàn)殡姵龎m器高頻電源是安裝在室外，而且在全國(guó)各地都有應(yīng)用。所以設(shè)計(jì)前，對(duì)其工作的環(huán)境需進(jìn)行最大限度的設(shè)定，因?yàn)橛布脑O(shè)計(jì)的成功與否與各種器件的選型有直接的關(guān)系。 因此 ，需對(duì)硬件選型十分慎重。另外，由于開關(guān)電源自身有一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是開關(guān)高頻噪聲較為嚴(yán)重，因此在電路設(shè)計(jì)中 適時(shí)的增加 濾波電路和隔離的應(yīng)用。為驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的正確性，最后給出各電路在不同調(diào)理部分的波形，并與輸入波形做對(duì)比。 第五章主要是 FPGA 的模塊化程序設(shè)計(jì)。在 本章 中，針對(duì) 硬件電路中采集信號(hào)采集 模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片 ，各自獨(dú) 立設(shè)計(jì)一系列的采集程序，并著重對(duì)數(shù)據(jù)緩存技術(shù)做了深入的分析 。最后 給出 軟件仿真波形，以驗(yàn)證程序模塊設(shè)計(jì)的正確性。 第六章是基于分布式算法的 FIR 濾波器在 FPGA 中的研究和應(yīng)用。數(shù)字濾波等信號(hào)處理一般都由 DSP 處理來完成。而隨著 FPGA 技術(shù)的不斷發(fā)展，基于 FPGA 的數(shù)字處理算法也不斷的產(chǎn)生。本章就對(duì)應(yīng)用 DA算法在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波功能的技術(shù)做了分析探討，此方式不僅提高處理速度，同時(shí)對(duì) DSP 的效率的提高也有一定的幫助。 第 七 章是本文的總結(jié)和展望。 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 5 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 上一章在介紹高頻電源的相關(guān) 國(guó)內(nèi)外情況后，在本章將對(duì)高頻電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做出總體設(shè)計(jì)，并對(duì)采集系統(tǒng)的核心 —— 采集方式做出選擇。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 根據(jù)高頻電源的使用情況與基本的設(shè)計(jì)原則在具體實(shí)際中的考慮，本文按照以下原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì)： （ 1） 可靠性。就工程設(shè)備而言，其最重要的因素是設(shè)備能夠可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。電除塵器高頻電源 的 工作環(huán)境的劣，經(jīng)常是處于高溫 或 低溫、高濕度和干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，因此保證其可靠地運(yùn)行更為重要。因此，采集系統(tǒng)必須盡可能實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的采集 與 傳輸。 （ 2） 可擴(kuò)展性。由于我國(guó)高頻電源技術(shù)的落后和現(xiàn)今技術(shù)的迅速發(fā)展，因 此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)很重要的一點(diǎn)就是考慮到以后的更新?lián)Q代問題。更新?lián)Q代并不是另起爐灶，而是在現(xiàn) 有 的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展 與改進(jìn) 。因此為減少不必要的成本，在當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)中留有一定的余地進(jìn)行擴(kuò)展也是一項(xiàng)重要措施。 （ 3） 硬件成本。商業(yè)成本也是制約先進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)非常因素，其對(duì)硬件技術(shù)更為重要。電除塵器高頻電源是一個(gè)商品，因此其利潤(rùn)才是最為重要的關(guān)鍵。因此在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，器件選型是一項(xiàng)重要的工作。在滿足需求的基礎(chǔ)上，盡量選用應(yīng)用廣泛的器件。 （ 4） 易維護(hù)性。在工作環(huán)境和硬件使用壽命的制約下，設(shè)備出現(xiàn)故障 是 無可避免的問 題。但由于高頻電源的全國(guó)分布和技術(shù)人員數(shù)量的限制，因此，設(shè)備的 易 維護(hù)性問題必然也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)不可或缺的因素。系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)盡可能的采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分彼此不受影響，這樣在使用中對(duì)故障的排查也起到一定的簡(jiǎn)易作用，方便系統(tǒng)的后期維護(hù)和升級(jí) [8]。 系統(tǒng)采集方式的研究 目前，作為世界通用的三大主流控制器 —— ARM、 DSP 和 FPGA 在不同領(lǐng)域、不同應(yīng)用場(chǎng)合都發(fā)揮重要的作用。這三種微控制器都可以用來做數(shù)據(jù)采集，下面就三者的主要優(yōu)勢(shì)做簡(jiǎn)要分析：（ 1） ARM 的最大特點(diǎn)是其強(qiáng)大的的事務(wù)管理功能，主要用來做應(yīng) 用界面設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制方面；（ 2） DSP，南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 即數(shù)字信號(hào)處 。 顧名思義，其最大的優(yōu)勢(shì) 就是 強(qiáng)大的數(shù)字處理能力和較高的運(yùn)行速度，所以經(jīng)常用來計(jì)算，比如進(jìn)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(shè)計(jì)采用 Verilog HDL 語言 ，靈活性強(qiáng)，由于能夠進(jìn)行編程、除錯(cuò)、再編程和重復(fù)操作，因此可以充分地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證。當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出 FPGA的優(yōu)勢(shì)，其現(xiàn)場(chǎng)編程能力可以延長(zhǎng)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的壽命， 而這種能力可以用來進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或除錯(cuò)。 傳統(tǒng) 數(shù)據(jù) 的采集方式是通過 DSP 或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集是在模擬信號(hào)調(diào)理完成以后，直接輸入到 DSP 或單片機(jī)的 AD 引腳，通過軟件配置來采集。而由于 FPGA 在最近十幾年的強(qiáng)勢(shì)崛起，其靈活的可配置性和并行的工作模式，使其短時(shí)間內(nèi)在數(shù)據(jù)采集 方向 的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。 下面對(duì)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(duì)比 。 （ 1） A/D 轉(zhuǎn)換的控制 傳統(tǒng)采集 模 式：通過軟件控制數(shù)據(jù)采集的 A/D 轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)：頻繁中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，減弱系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，采集速度受限。 FPGA采集 模 式 ： FPGA的數(shù)據(jù)采集是 FPGA搭配一個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)采集，因此整個(gè)數(shù)據(jù)的采集和 A/D 轉(zhuǎn)換都是 由 硬件完成，可以最大限度的提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 采樣和處理能力。 （ 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(jī)的工作模式是串行的，雖然其通過快速中斷模式可以實(shí)現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其指令更適合實(shí)現(xiàn)算法而不是邏輯控制，其外部接口的通用性較差。而且串行的工作模式注定在同一時(shí)間只能采集一種信號(hào) ， 這就必然限制了其采集速度和質(zhì)量。 FPGA 采集 模 式： FPGA 是門級(jí)可編程器件，其最大的特點(diǎn)是工作模式為并行 模式。因此，適于大數(shù)據(jù)量的高速 采集和 傳輸控制，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。 （ 3）采集頻率 傳統(tǒng)采集模式： DSP 或單片機(jī)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。因此 DSP/單片機(jī)的采集頻率很大程序受到時(shí)鐘的束縛，因此大多的 DSP 最大的采集速度為幾十 兆 或上百 兆 。 FPGA 采集模式： FPGA 由于內(nèi)部延時(shí)小，全部控制邏輯由硬件完成，因此其時(shí)第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 7 鐘頻率很高，中高檔的 FPGA 的時(shí)鐘頻率可 達(dá) 上 GHz。 （ 4）可擴(kuò)展性 傳統(tǒng)采集模式： DSP 或單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集是將模擬信號(hào)直接輸入到 AD 寄存器的引腳中，因此模 擬信號(hào)的輸入受到 CPU 的供電電壓的限制。且當(dāng)采集的對(duì)象處于干擾嚴(yán)重或高壓環(huán)境下，對(duì)模擬信號(hào)的隔離也需做特別處理。 FPGA 采集模式： FPGA 的 I/O 數(shù)量較多，每一個(gè) I/O 口的功能都大致相同，因此其可移植性更強(qiáng)。而且由于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集是配合一款 AD 來實(shí)現(xiàn)的，因此進(jìn)入 FPGA 的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)的隔離可有多種選擇，如光電隔離 、 磁隔離等。 綜合以上原因，在本系統(tǒng)中采用 基于 FPGA 的 采集 模式來搭建 采集 平臺(tái) 。 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(tái)上 。 三 相 橋 式 整 流 全 橋 逆 變 電 路 高 頻 變 壓 器 高 壓 硅 堆 整 流 除 塵 器小 磁 環(huán)H V H V 02 0 1T A 1三 相 濾 波 器( T P F )0 0 R0 0 S0 0 T0 0 1 R0 0 1 S0 0 1 TQ F 0快 熔0 1 3 S0 1 3 T0 1 3 RK M 0 BK M 00 1 4 R0 1 4 S0 1 4 T2 0 20 1 5 R0 1 5 S0 1 5 TG N D 0R S 1 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 注：虛線部分為本文研究?jī)?nèi)容 由上圖可以看出，本文的主要研究對(duì)象為硬件電路設(shè)計(jì)和 FPGA 采集模塊的實(shí)南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 現(xiàn) 。 硬件電路設(shè)計(jì)：硬件電路，即數(shù)據(jù)采集的調(diào)理電路，是保證采集信號(hào)可靠、準(zhǔn)確的關(guān)鍵部分，調(diào)理電路包括尖峰信號(hào)的抑制、 RC 濾波、隔離等電路。因?yàn)閺母蓴_嚴(yán)重或室外環(huán)境下采集的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都不可避免的受到了或多或少的干擾，導(dǎo)致信號(hào)的不準(zhǔn)確，摻雜 其中 的尖峰信號(hào)會(huì)對(duì)后級(jí)元器件造成損壞，從而造成設(shè)備的故障，且維護(hù)困難。因此在信號(hào)采 集之后、 AD 轉(zhuǎn)換之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)理是非常重要的，而對(duì)信號(hào)的調(diào)理電路也成為采集電路不可或缺的一部分。在本設(shè)計(jì)中，針對(duì)采集的信號(hào)的不同，設(shè)計(jì)不同的調(diào)理電路 ， 其中功能相同的電路，做成典型模塊，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易化。在完成各部分的電路設(shè)計(jì) 后 ，最后給出實(shí)際電路的測(cè)試波形，以驗(yàn)證電路的正確性。