基于ZYNQ的能源電力解決方案分享

一、背景說明

近年來，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)在能源電力行業(yè)得到了長足發(fā)展。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)信息一體化、電力市場售電改革、新能源微電網(wǎng)與儲能、智能配電終端、能源四表集抄網(wǎng)絡(luò)、電力智能巡檢等概念與政策的陸續(xù)推出，能源電力行業(yè)在基于“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的核心指導(dǎo)方向下，對嵌入式解決方案在上述背景下的創(chuàng)新應(yīng)用與升級換代的需求日益旺盛。

作為國內(nèi)知名的嵌入式產(chǎn)品平臺提供商，Tronlong憑借在嵌入式方案領(lǐng)域多年的深耕經(jīng)驗，以及對能源電力行業(yè)的創(chuàng)新理解，全新推出系列化的行業(yè)解決方案，涵蓋TI OMAP-L138、AM335x、AM5708、AM5728、TMS320F2837x，Xilinx ZYNQ等平臺，覆蓋了電能采集、振動故障診斷、通信管理控制、電力電子、配電終端測控、電力智能巡檢等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

二、方案介紹

1方案名稱

基于ZYNQ的分布式能源及微電網(wǎng)通信與控制單元

2方案特點

(1)采用Xilinx Zynq-7000 SoC高性能低功耗處理器，集成PS端單核/雙核ARM Cortex-A9 + PL端Artix-7架構(gòu)可編程邏輯資源；

(2)通過配置CPU/RAM/FLASH組合，實現(xiàn)成本可優(yōu)化／高性價比的多任務(wù)處理能力、數(shù)據(jù)本地存儲、現(xiàn)場組網(wǎng)與高速通信能力；

(3)外部可擴(kuò)展LCD顯示與觸摸屏控制，分辨率支持2048*2048，支持1080P高清視頻播放與HDMI視頻輸出，滿足多種屏幕與人機(jī)交互的功能需求；

(4)支持操作系統(tǒng)運行（Linux/RT-Linux），支持多種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換(IEC61850、DL/T645、DL/T667-1999(IEC60870-5-103))、線路潮流與控制邏輯運算、應(yīng)用軟件遠(yuǎn)程升級等功能算法；

(5)可通過PL端Artix-7架構(gòu)可編程邏輯資源按需擴(kuò)展外部通信接口，只要資源滿足，理論上無數(shù)量限制。典型應(yīng)用：CAN(4路)、千兆以太網(wǎng)(2路)、百兆以太網(wǎng)(4路)、UART(12路)、SPI(5路)。

3技術(shù)參數(shù)

圖 1

4方案框圖

圖 2

5應(yīng)用領(lǐng)域

可廣泛用于分布式能源與負(fù)荷調(diào)控、微電網(wǎng)中央控制、電力通信網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)集中器等要求，同時接入/接出多路不同通信總線、或多種通信協(xié)議集中處理轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場合。

圖 3

6AD7606經(jīng)典開發(fā)案例

AD7606是最最最為經(jīng)典的電力數(shù)據(jù)采集IC，在大部分電力場合應(yīng)用廣泛。創(chuàng)龍科技ZYNQ評估板TLZ7x-EasyEVM-S提供基于AD7606的AD采集與處理開發(fā)案例。下面講解的開發(fā)案例說明基于ad7606_fft例程。

6.1功能說明

PL端采集AD7606的8通道AD信號，采樣率為200KSPS，并通過DMA IP核將數(shù)據(jù)緩存到PS端DDR中（每通道各采樣4096個點），再通過FFT IP核將數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運算，然后將FFT運算結(jié)果保存到PS端DDR中，最后通過ILA顯示第一個通道的原始波形和FFT運算結(jié)果波形。

備注：由于本案例消耗邏輯資源較多，因此本案例不支持xc7z010，僅支持xc7z020。

6.2案例框圖

圖4

備注：x1表示1個通道的數(shù)據(jù)，x8表示8個通道。

6.3硬件平臺簡介

6.3.1TLZ7x-EasyEVM-S評估板

圖 5

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6.3.2AD7606模塊

案例使用Tronlong的TL7606P AD模塊。

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圖 6

圖 7

模塊功能說明：

該模塊控制AD7606對8通道AD信號按200K采樣率進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)通過AXI4-Stream接口進(jìn)行發(fā)送。

6.4案例測試

將TLP2P-PinBoard轉(zhuǎn)接板接到評估板CON8接口，再將AD模塊TL7606P與轉(zhuǎn)接板連接。

圖 8

進(jìn)入評估板文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令配置PS-PL電平轉(zhuǎn)換寄存器。

Target# devmem 0xf8000900 w 0xf

圖 9

使用下載器加載PL端程序以及和PL端程序同目錄下的.ltx文件。

圖 10

在ila_1的Trigger Setup窗口點擊按鈕，雙擊axi_dma_0_m_axis_mm2s_tvalid將其添加為觸發(fā)信號。

圖 11

將Value的值改成R，設(shè)置為上升沿觸發(fā)。

圖 12

右擊Channel_1_data[15:0]，點擊“Waveform Style -> Analog”將通道1的原始信號設(shè)置為模擬波形。

圖 13

右擊Channel_1_data[15:0]，點擊“Radix -> Signed Decimal”設(shè)置數(shù)據(jù)為有符號類型。

圖 14

參考上面的步驟，在ila_2將axi_dma_1_m_axis_mm2s_tvalid添加為觸發(fā)信號，設(shè)置為上升沿觸發(fā)，將FFT IP核輸出數(shù)據(jù)的實部和虛部信號分別設(shè)置為模擬波形，并設(shè)數(shù)據(jù)為有符號類型。

圖 15

圖 16

使用信號發(fā)生源向TL7606P模塊的8個通道分別輸入信號，本案例測試的輸入信號是頻率為2KHz、峰峰值為3.3Vpp的正弦波。

將案例“sw\linux_system\image\”目錄下所有腳本文件拷貝至評估板文件系統(tǒng)。執(zhí)行如下命令使能axi_dma_0的S2MM通道，將數(shù)據(jù)采集到PS端DDR中。

Target# ./axi_dma_0_ad7606_to_ddr.sh

執(zhí)行如下命令使能axi_dma_1的S2MM通道（FFT轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)保存到PS端DDR），等待FFT IP核工作。

Target# ./axi_dma_1_fft_to_ddr.sh

執(zhí)行如下命令使能axi_dma_0的MM2S通道，把原始數(shù)據(jù)從DDR送到FFT IP核。

Target# ./axi_dma_0_ddr_to_fft.sh

執(zhí)行如下命令使能axi_dma_1的MM2S通道，把FFT轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從DDR送到ILA顯示。

Target# ./axi_dma_1_ddr_to_ila.sh

圖 17

axi_dma_0_ad7606_to_ddr.sh

配置axi_dma_0的S2MM通道，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻DR。

圖 18

配置好DMA后，配置axi gpio輸出1，設(shè)置adc_enable為1，使能ADC轉(zhuǎn)換。需確保DMA已配置好，再使能ADC轉(zhuǎn)換并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖 19

axi_dma_0_ddr_to_fft.sh

配置axi_dma_0的MM2S通道，將DDR中的數(shù)據(jù)通過AXI4-Stream發(fā)送給FFT IP核。

圖 20

ila_1原始波形

輸入信號是頻率為2KHz、峰峰值為3.3Vpp（電壓幅值為1.65V）的正弦波。一共4096個采樣點，每個采樣點4個時鐘周期，即4096=16384/4。

圖 21

圖 22

波峰值為+10729，波谷值為-10794，峰峰值=(10729 + 10794)/(2^16)x10V≈3.2841V，采樣范圍為±5V。

圖 23波峰值

圖 24波谷值

Ila_2FFT波形

Channel_1_fft_IM_Dout為虛部，Channel_1_fft_RE_Dout為實部。

圖 25

頻率計算

FFT變換點數(shù)N=4096，AD采樣率Fs為200KSPS。某點n所表示的頻率Fn=(n-1)*(Fs/N)(n>=1)。當(dāng)n=1時，F(xiàn)n為0，由于第一點表示的是直流分量，因此頻率為0，幅值也為0，該正弦波無直流分量。

從下圖可知，在第164個周期（即第42個采樣點）處出現(xiàn)信號，則信號頻率Fn=(42-1)*(Fs/N)=41*200KHz/4096=2001.95Hz，與原始信號頻率2KHz基本一致。

圖 26

幅值（波峰值）計算

某個點的幅值A(chǔ)n=(根號(實部^2 + 虛部^2))*壓縮倍數(shù)/(N/2)，則信號幅值A(chǔ)n=(根號(4448^2 + 3008^2))x4096/4096x2≈10739.23，信號電壓幅值=10739.23/(2^16/2)x5V≈1.64V，與原始信號電壓幅值1.65V基本一致。

查看原始數(shù)據(jù)

每個采樣點32bit（包括實部和虛部），每個通道的數(shù)據(jù)的地址依次遞增，從地址0x19000000開始。

Target# devmem 0x19000000 //查看V1通道原始數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19000004 //查看V2通道原始數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19000008 //查看V3通道原始數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x1900000c //查看V4通道原始數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19000010 //查看V5通道原始數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19000014 //查看V6通道原始數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19000018 //查看V7通道原始數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x1900001c //查看V8通道原始數(shù)據(jù)

圖 27查看V1通道原始數(shù)據(jù)

查看FFT數(shù)據(jù)

每個采樣點32bit（包括實部和虛部），每個通道的數(shù)據(jù)的地址依次遞增，從地址0x19100000開始。

Target# devmem 0x19100000 //查看V1通道FFT數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19100004 //查看V2通道FFT數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19100008 //查看V3通道FFT數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x1910000c //查看V4通道FFT數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19100010 //查看V5通道FFT數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19100014 //查看V6通道FFT數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x19100018 //查看V7通道FFT數(shù)據(jù)

Target# devmem 0x1910001c //查看V8通道FFT數(shù)據(jù)

圖 28查看V1通道FFT數(shù)據(jù)

三、更多方案

圖 29