【正文】 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。 （ 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。 FPGA 采集 模 式： FPGA 是門(mén)級(jí)可編程器件，其最大的特點(diǎn)是工作模式為并行模式。 （ 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(guò)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 。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。 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 。 傳統(tǒng) 數(shù)據(jù) 的采集方式是通過(guò) 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(guò)軟件配置來(lái)采集。 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(lái)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(mén)陣列，其編程語(yǔ)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(yǔ)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(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。 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。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(wèn)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。 （ 4） 易維護(hù)性。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。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。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。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(wèn)題。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。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。 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。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。數(shù)字濾波等信號(hào)處理一般都由 DSP 處理來(lái)完成。 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。 第五章主要是 FPGA 的模塊化程序設(shè)計(jì)。另外，由于開(kāi)關(guān)電源自身有一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是開(kāi)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。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。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。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(guò)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。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)。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(shuō)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。 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。 （ 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 。 （ 3） 軟件 采集 部分包括程序設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果 。 （ 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 。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 。 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。 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)。經(jīng)過(guò)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。 2021 年以后，國(guó)內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè) 才 先后開(kāi)始了高頻、高壓開(kāi)關(guān)電源的研究，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻電源的國(guó)有化。 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(kāi)關(guān)電源研究起步較晚 。其中，瑞典的 ALSTOM 公司的 SIR 系列高頻開(kāi)關(guān)電源最具有代表性，其最大規(guī)格已達(dá)到 120KV/[5]。 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(kāi)發(fā)出高頻開(kāi)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。 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(kāi)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(kāi)關(guān)電源將逐步取代可控硅相控電源。開(kāi)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。 從上個(gè)世紀(jì)九十年代開(kāi)始，隨著國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，電除塵器高頻電源由于所顯現(xiàn)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)和眾多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到各企業(yè)工廠的青睞。 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(guò) 50%。但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的現(xiàn)代代大型電廠和工廠所使用的還是工頻電除塵器電源。 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(guò)濾除塵和靜電除塵等。為減少這些工業(yè)粉塵的排放，保護(hù)環(huán)境，采用各種除塵裝置是一種最為有效的手段 。 我國(guó) 是 一個(gè)燃煤大國(guó)，在我國(guó)的發(fā)電主要還是以火力發(fā)電為主，在 2021 年，全國(guó)火電電量為 38137 億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量的 %。 It is conducive to upgrade equipment. Key Words: FPGA， AD， FIR filter， Distributed Arithmetic， Antiinterferenc第一章 緒論 1 第一章 緒論 選題背景及研究意義 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，在犧牲環(huán)境而發(fā)展經(jīng)濟(jì)的影響下，中國(guó)的環(huán)境保護(hù)變的越來(lái)越迫切，而粉塵污染更是一個(gè)非常嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，特別是2021 年 北京等地的嚴(yán)重霧霾現(xiàn)象，更是把環(huán)境保護(hù)提到了一個(gè)新的高度。 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。 伴 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展， FPGA 由于其不可替代的優(yōu)勢(shì)，也越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用到各領(lǐng)域。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 。 首先， 本文對(duì)電除塵器高頻電源及其工作原理做了詳細(xì)的介紹，并著重 對(duì)高頻電源需要采集的數(shù)據(jù) 進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究，其中包括信號(hào)采集要求 和采集前后信號(hào)的特征。 本 設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)是建立在 FPGA 的采集 平臺(tái)上 。在數(shù)據(jù)采集方面，傳統(tǒng)的 AD 采樣方法 —— 單片機(jī)、 DSP等因?yàn)槎丝谫Y源的有限和其順序執(zhí)行的工作模式已經(jīng)不能夠滿足 人們 的要求。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。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。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。分類(lèi)號(hào)： TP391 單位代碼： 10300 密 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 2021206206 碩士學(xué)位論文 電除塵器高頻電源采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) Design of High Frequency Power Supply Acquisition System for Electrostatic Precipitator 申請(qǐng)人姓名 ： 陳兆明 指 導(dǎo) 教 師 ： 張穎超 教授 專 業(yè) 名 稱 ： 系統(tǒng)分析與集成 研 究 方 向 ： 嵌入式 所 在 學(xué) 院： 信息與控制學(xué)院 二 ○ 一 三 年 五 月獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。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(xiě)過(guò)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(shū)而使用過(guò)的材料。 學(xué)位論文作者簽名 ： ____________ 簽字日期 ： ______________ 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 南京信息工程大學(xué)、國(guó)家圖書(shū)館、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤(pán)版）雜志社、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所的《中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)提供信息服務(wù)。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。 □ 公開(kāi) □ 保密（ _____年 _____月） (保密的學(xué)位 論文 在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議 ) 學(xué)位論文作者簽名： ____________ 簽字日期： _______________ 指導(dǎo)教師簽名： ______________ 簽字日期： _______________ i 目 錄 摘要 ..................................................................................................................... I ABSTRACT......................................................................................................... II 第一章 緒論 .........................................................................................................1 選題背景及研究意義 .................................................................................... 1 相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................. 2 本文的研究?jī)?nèi)容 ........................................................................................... 3 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) ...........................................................................................5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 .............................................................................................. 5 系統(tǒng)采集方式的研究 ...................................