【正文】 所以慎重的選擇一款性能高的 ADC 對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至關(guān)重要。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 CON1GND2OUT3VCC4Y0248MR0251GND_C+L06C02C01R03100GND_CC5GND_CSYS_CLK 圖 43 時(shí)鐘電路 Y02 是有源晶振，提供 48M 的外部時(shí)鐘。為此， Altera 公司又特意開發(fā)出一系列 FLASH 存儲(chǔ)器，以配合 FPGA 的使用。 本系統(tǒng)的 FPGA 采用的是 Altera 公司 Cyclone 系列的 EP1C20F400I7。 輸 入信 號(hào)穿 心電 容 /抑 制器濾 波電 路放 大電 路隔 離電 路A D 模塊F P G A 圖 41 采樣信號(hào)的調(diào)理流程 一般的 穿 心 電容 是一種三端電容， 可以 直接安裝在金屬面板上 ，而此處所用的穿 心 電容是貼片式的四端電容，其中上下兩端直接接地，信號(hào)從中間穿過去，有效的抑制了高頻噪聲信號(hào) 。 由于電除塵器高頻電源的工作環(huán)境特殊：室外、噪聲強(qiáng)、溫度高 ， 因此受到的干擾非常大，不僅信號(hào)采集回路受到影響，其電源供電也同樣受到非常大的影響。根據(jù)功能的不同，對(duì)控制系統(tǒng)的進(jìn)行了簡單的劃分，并簡要的說明了每個(gè)模塊主要的作用。為方便維護(hù)人員或電廠工作人員的不時(shí)之需，在高頻電源電器柜中引出 220V 交流電端口， 其驅(qū)動(dòng)方式與控制系統(tǒng)電源相同。風(fēng)機(jī)是對(duì)變壓器郵箱的散熱通道進(jìn)行吹風(fēng)、散熱的設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是 24V 的數(shù)字信號(hào) ， 因此其狀態(tài)信號(hào)也是 24V 數(shù)字量。 （ 1）主接觸器狀態(tài)。因此，高頻電源的數(shù)字信號(hào)采集的數(shù)量會(huì)有所不同。當(dāng)該溫度超過攝氏 100℃ 時(shí)， 1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)報(bào)警；超過攝氏 120℃ 時(shí)，1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。變壓器內(nèi)整流橋、鐵芯及線損均為發(fā)熱源。而二次電流的最大有效值為 ，峰值是最大有效值的 4 倍，因此二次電流的采樣值最大為 VV ?電流采樣 。 二次電壓采樣電阻與變壓器內(nèi)分壓電阻串聯(lián)，對(duì)變壓器高壓出線包負(fù)端采樣。 ? 低電感值：為減小電阻電感采用金屬膜電阻，其電感小于繞線電阻。 （ 5）負(fù)載電壓（二次電壓） 二次電 壓，即電除塵器高頻電源的輸出電壓。二次電流是直流信號(hào)，而相電流、一次電流都是交流信號(hào)。電路中設(shè)計(jì)了一次電流的積分電路，對(duì)每個(gè)波段的一次電流值進(jìn)行積分。 第三章 電除塵器高頻電源介紹 15 圖 35 相電流仿真波 形 （ 3）一次電流 一次電流 是 進(jìn)入變壓器初級(jí)線圈連線的電流值。因此本系統(tǒng)采用交流電流互感器。 電阻轉(zhuǎn)換電壓方式功率 消耗 較大 ， 容易 受 到 干擾 信號(hào)影響，而且由于電阻本身的誤差 ， 因此 很難做到高精度 ，所以比較 適用于小功率 的檢測(cè)。因此 母線電壓的采樣信號(hào)為 ： VV IN 4022*5301 ??，設(shè)計(jì)電路時(shí)的峰值電壓： VV IN PP * ??? ，頻率為 150Hz。 而除了電壓的變化之外，電流信號(hào)、各種溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)和開關(guān)狀態(tài)信號(hào)也隨著電源在不同的運(yùn)行狀態(tài)而不同。而模擬信號(hào)一直以來都是科研難題，特別是高壓、高頻等性質(zhì)的模擬信號(hào)，對(duì) 其調(diào)理的方式 要求也很嚴(yán)格 。 IGBT 故障信號(hào)主要是 IGBT 在故障時(shí)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)。采集的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)入數(shù)字采集電路，由專用采集芯片采集，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送入 FPGA 中，最后由 FPGA 一同 發(fā)送至 DSP控制器。 其中數(shù)字調(diào)理模 塊包括數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)字采集模塊。 高壓采樣電路 在所有的數(shù)據(jù)采集電路中， 高電 壓、大電流 永遠(yuǎn)是危險(xiǎn)的存在，不僅因?yàn)槠涓邏?、大電流的性質(zhì)容易造成器件損壞，更因?yàn)樵诟邏骸⒋箅娏髦锌偸侨菀状嬖诟鞣N干擾信號(hào)，對(duì)其他弱電信號(hào)產(chǎn)生很大的影響。驅(qū)動(dòng)電路南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 是電除塵器高頻電源能否 正常工作的重要傳輸調(diào)理電路。以 DSP 強(qiáng)勢(shì)的數(shù)字處理能力配合 FPGA 的高速時(shí)鐘頻率和并行觸發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和最優(yōu)設(shè)計(jì)。 控制電路對(duì)高頻電源的各種故障信號(hào)（包括過流、過壓、欠壓、過熱等現(xiàn)象）進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)作出相應(yīng)的故障處理；控制電路還負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，可由上位機(jī)發(fā)出的控制指令來對(duì)高頻電源進(jìn)行控制。 主電路即屬于強(qiáng)電的電力轉(zhuǎn)換部分，由 EMI 濾波器、三相整流橋、輸入濾波、全橋逆變和高頻整流等模塊組成；本電源設(shè)備輸入為三相 380V/50Hz 交流電源，經(jīng)第三章 電除塵器高頻電源介紹 11 三相整流器和濾波后得到約 530V 左右的直流電壓，再經(jīng) IGBT 模塊高頻逆變，變壓整流后為電除塵器提供上限為 72kV 電壓的直流電源。 本高頻電源采用 DSP+FPGA 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源的全數(shù)字化控制 ， 電源采用串聯(lián)諧振主回路，大大減小了逆變電路的開關(guān)損耗，提高了電源的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。利用軟開關(guān)技術(shù)（ ZVS： 零電壓開通， ZCS：零電流關(guān)斷）減小了開關(guān) 管 的損耗，提高了工作頻率，并且對(duì)電路 運(yùn)行時(shí)的電磁干擾也有了很大的改善 [2]。 較早出現(xiàn)的是硬開關(guān)型高頻電源，但其硬開、硬關(guān)的特點(diǎn)直接限制了頻率的提升和自身 的發(fā)展。其中負(fù)極，又稱為電暈極或放電極，是一個(gè) 曲率 半徑很大的線狀電極；正極，又稱為集塵極，是一塊板狀電極。并著重對(duì)傳統(tǒng)采樣方式 —— DSP 或單片機(jī)的采樣方式和基于 FPGA 的高速采樣方式做了詳細(xì)的對(duì)比說明。而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)涉及到 FPGA內(nèi)部的 RAM 使用 ， 數(shù)據(jù)的傳輸是 FPGA 與 DSP 之間數(shù)據(jù)單向流動(dòng)。 FPGA 軟件設(shè)計(jì)：在此 設(shè)計(jì) 中 FPGA 實(shí)現(xiàn)的 五 種 功能：數(shù)據(jù)的采集、高低限判斷、 數(shù)字濾波器、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸。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。 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) 。 （ 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。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。 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。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。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 。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。電除塵器高頻電源是一個(gè)商品，因此其利潤才是最為重要的關(guān)鍵。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) 。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。 第 七 章是本文的總結(jié)和展望。 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。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。因?yàn)殡姵龎m器高頻電源是安裝在室外，而且在全國各地都有應(yīng)用。電除塵器高頻電源是一種自主進(jìn)行故障判斷的設(shè)備。 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。 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 。 （ 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 。但是 由于 國內(nèi)的電子技術(shù)相比于國外較為落后，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 。其中國電環(huán)境保護(hù)研究院（南京國電環(huán)保科技有限公司）、福建龍凈環(huán)保公司是電除塵器高頻電源的先驅(qū)者。 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)。 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 。電除塵器高頻電源屬南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 于開關(guān)電源， 因此其具有開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)。工頻電除塵器電源是線性電源，線性電源的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，可靠性高，輸出電壓精度高，輸出紋波電壓小。 但是，這十多年來我國環(huán)保形勢(shì)已發(fā)生了巨大的變化，作為大氣污染治理的主戰(zhàn)場(chǎng) —— 火力發(fā)電廠裝機(jī)容量 至少 增加了三倍，單機(jī)機(jī)組 更 由 300、 600 發(fā)展到 1000MW 或更高 ；粉塵排放濃度 則 由 200mg/m3降到 50m g/m3； 而 電站脫硫技術(shù)迅速發(fā)展， 特別是干法脫硫后 需要 處理的粉塵濃度 則 高達(dá) 800mg/m3—— 2021mg/m3；這就要求除塵器的除塵 效率 達(dá)到 在 %以上，這些都給電除塵器 及其 供電電源等提出了新的課題。人們?cè)絹碓疥P(guān)注對(duì)環(huán)境的保護(hù)。本文設(shè)計(jì)的基于 FPGA 的采集系統(tǒng)，不僅在實(shí)時(shí)性方面有進(jìn)一步的提升，而且系統(tǒng)的可擴(kuò)展性非常 強(qiáng)，有利于設(shè)備的進(jìn)一步升級(jí)。 其次， 針對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象 ，給出每一路數(shù)據(jù)的硬件調(diào)理電路設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了電路的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)功能，并給出設(shè)計(jì)之初的仿真波形和最后的硬件 實(shí)物的實(shí)驗(yàn)波形。 而FPGA 因具有速度快、兼容性好和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)， 越來越多的被應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集及采集后的 調(diào)理 。除在保密期內(nèi)的保密論文外 ，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。本論文除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的內(nèi)容外，不包含其他人或其他機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京信息工程大學(xué)或其他 教 育 機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。其他同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了聲明并表示謝意。論文的公布（包括刊登）授權(quán)南京信息工程大學(xué) 研究生院 辦理。 本 設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)是建立在 FPGA 的采集 平臺(tái)上 。在完成后硬件設(shè)計(jì)之后 ， 本文 對(duì)硬件電路中使用的數(shù)據(jù)采集芯片進(jìn)行了詳細(xì)的時(shí)序分析，在 FPGA 中實(shí)現(xiàn) 了 軟件采集編程 和時(shí)序仿真，并對(duì)數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)傳輸做了詳細(xì)的分析、探討 。 關(guān)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(gè)燃煤大國，在我國的發(fā)電主要還是以火力發(fā)電為主，在 2021 年，全國火電電量為 38137 億千瓦時(shí)，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(jī)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(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)：效率高，可靠性和穩(wěn)定性較好，體積小、重量輕，對(duì)供電電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不敏感，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的情況下，仍能維持比較穩(wěn)定的輸出。 相關(guān)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(jì) 90 年代初，由美國學(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。 相比較與國外的早起點(diǎn)、快速發(fā)展， 國內(nèi)高頻直流高壓開關(guān)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(shí)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(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。 （ 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