用FPGA實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量計(jì)

用FPGA實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量計(jì)

1 引言
    在現(xiàn)代社會(huì)中，電資源成為人們生活當(dāng)中不可缺少的一部分，而發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)在電力系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。在很多場(chǎng)合，需要對(duì)電機(jī)組和電網(wǎng)的頻率進(jìn)行測(cè)量。目前，頻率測(cè)量的電路系統(tǒng)很多，這里介紹一種數(shù)字電路測(cè)頻：基于FPGA的發(fā)電機(jī)組的頻率測(cè)量計(jì)。
    隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以EDA為代表的數(shù)字電路設(shè)計(jì)發(fā)生很大變化。在設(shè)計(jì)方法上，已經(jīng)從“電路設(shè)計(jì)—硬件搭試—焊接”的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式到“功能設(shè)計(jì) —軟件模擬—下載調(diào)試”的電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)模式。在這種狀況下，以硬件描述語(yǔ)言(Hardware Description Language)和邏輯綜合為基礎(chǔ)的自頂向下的電子設(shè)計(jì)方法得到迅速發(fā)展。Verilog HDL語(yǔ)言是目前應(yīng)用最廣泛的硬件描述語(yǔ)言，它是在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，語(yǔ)法較為自由靈活、擁有廣泛的學(xué)習(xí)群體、資源比較豐富，且容易學(xué)簡(jiǎn)單易懂。本文發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量計(jì)的設(shè)計(jì)是在Verilog hdl語(yǔ)言的基礎(chǔ)上展開的，源程序經(jīng)過Altera 公司的QuartusⅡ5.0軟件完成了綜合、仿真(功能仿真和時(shí)序仿真)，F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列) 選用的是Cyclone系列的EP1C3T144C6器件。

2 頻率測(cè)量電路
2.1頻率測(cè)量的總體電路
    采用電壓互感器取來自于發(fā)電機(jī)組端電壓或電網(wǎng)電壓的測(cè)頻輸入信號(hào)，經(jīng)削波、濾波處理后，變成幅度基本不變的穩(wěn)定波形，經(jīng)放大電路將信號(hào)放大整形，再用電壓比較電路將具有正負(fù)幅值的方波變成只有正幅值的方波信號(hào)。然后，通過光電耦合器使FPGA的數(shù)字系統(tǒng)與輸入信號(hào)隔離。FPGA數(shù)字系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)的1HZ信號(hào)對(duì)隔離后的方波信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到信號(hào)的頻率數(shù)，該頻率數(shù)經(jīng)數(shù)碼管顯示。由于發(fā)電機(jī)組的頻率與發(fā)電機(jī)組端電壓有關(guān)系，可以從頻率的變化得到發(fā)電機(jī)組端電壓的變化。從系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，從中可以看出，該FPGA數(shù)字系統(tǒng)與輸入通道隔離，因而大大提高了系統(tǒng)硬件的抗干擾能力。
 
圖1 系統(tǒng)總體框圖
2.2頻率測(cè)量的原理
    頻率測(cè)量的原理是計(jì)算每秒鐘待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，也就是利用標(biāo)準(zhǔn)的1HZ (周期為1s) 脈寬信號(hào)對(duì)輸入的待測(cè)信號(hào)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，1秒計(jì)數(shù)結(jié)束后對(duì)采集到脈沖個(gè)數(shù)送到數(shù)碼管顯示。
    測(cè)頻控制器有3個(gè)輸入信號(hào)：Samplefreq為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，Reset是復(fù)位控制信號(hào)，Start是開始測(cè)量信號(hào)；3個(gè)輸出信號(hào)： Endmeasure是結(jié)束測(cè)量信號(hào)(計(jì)數(shù)復(fù)位和轉(zhuǎn)換復(fù)位)，Gate是允許計(jì)數(shù)信號(hào)(即門控信號(hào))，Enableconvert是開始轉(zhuǎn)換信號(hào)?？刂屏鞒淌窍葘?duì)頻率計(jì)復(fù)位，再開始測(cè)量，在Samplefreq信號(hào)的上升沿，Gate信號(hào)使能使計(jì)數(shù)器開始工作，到Samplefreq的下一個(gè)上升沿， Gate反轉(zhuǎn)成低電平使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)Enableconvert使轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)(轉(zhuǎn)換時(shí)間低于1s)。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，十進(jìn)制數(shù)經(jīng)過7段顯示譯碼器譯碼，然后在數(shù)碼管中顯示所測(cè)信號(hào)的頻率。由于Enableconvert信號(hào)的使用使數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)閃爍。進(jìn)行下次測(cè)量之前要對(duì)頻率計(jì)進(jìn)行復(fù)位，使數(shù)碼管的數(shù)字顯示清零，為下次顯示做準(zhǔn)備。
    本文設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)有六個(gè)模塊組成：測(cè)頻控制模塊(Control)、十分頻模塊(divfreq)、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊(Counter)、鎖存器模塊(Latch)、二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器模塊(Bit2Bcd)、7段顯示譯碼器模塊(Led_encoder)。

3 頻率測(cè)量計(jì)的設(shè)計(jì)
    本次設(shè)計(jì)采用Verilog HDL語(yǔ)言，運(yùn)用自頂向下的設(shè)計(jì)理念。將系統(tǒng)按功能按層次化分，首先定義頂層功能模塊，并在頂層功能模塊內(nèi)部的連接關(guān)系和對(duì)外的接口關(guān)系進(jìn)行了描述, 而功能塊的邏輯功能和具體實(shí)現(xiàn)形式則由下一層模塊來描述。整個(gè)設(shè)計(jì)分兩步：第一步利用Quartus Ⅱ5.0圖形塊輸入方式設(shè)計(jì)頂層模塊，頂層圖形塊如圖2所示；第二步在頂層模塊中為每個(gè)圖形塊生成硬件描述語(yǔ)言(Verilog HDL)，然后在生成的Verilog HDL設(shè)計(jì)文件中，對(duì)低層功能模塊的功能進(jìn)行描述設(shè)計(jì)。
 
圖2　頂層圖形塊
3.1 測(cè)頻控制模塊設(shè)計(jì)
這是三輸入三輸出模塊，測(cè)頻控制模塊波形仿真如圖3所示，如用Verilog HDL描述為：

module Control (clk,reset,start,enableconvert,gate,endmeasure);
input reset,start,clk;
output enableconvert,gate,endmeasure;
reg enableconvert,gate,endmeasure;
always @ (posedge clk or posedge reset)
begin
if (reset)
begin
endmeasure <= 1'b1 ;
enableconvert <=1'b0 ;
gate <= 1'b0 ;
end
else
begin
endmeasure <= 1'b0 ;         
if (start)
begin
gate <= ~gate ;
enableconvert <= gate ;
end
end
end
endmodule

 
圖3　測(cè)頻控制器波形仿真時(shí)序圖

3.2 二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)，需要轉(zhuǎn)換時(shí)鐘Convertfreq信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行時(shí)序控制，由于要在1s內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，則轉(zhuǎn)換時(shí)鐘Convertfreq的頻率應(yīng)該選用高頻頻信號(hào)，即轉(zhuǎn)換時(shí)鐘Convertfreq的頻率是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘Samplefreq信號(hào)10分頻得到的。
    為了對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行波形仿真，取輸入的10位二進(jìn)制數(shù)bin[9..0]為10&rsquo;b0000011001(十進(jìn)制為25)。圖4為二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器的仿真時(shí)序圖：
 
圖4 二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器的仿真時(shí)序圖

4  仿真和調(diào)試
　　通過上述的描述，從各個(gè)模塊獨(dú)立的角度對(duì)其進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明設(shè)計(jì)符合要求。為了保證系統(tǒng)的整體可靠性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做了仿真，仿真時(shí)序圖如圖5所示：
 
圖5　系統(tǒng)仿真時(shí)序圖
　　其中，LEDD,LEDC,LEDB,LEDA是譯碼的結(jié)果要在7段數(shù)碼管上顯示，0010010(顯示為2)、0100100(顯示為5)。將設(shè)計(jì)的頻率測(cè)量計(jì)下載到目標(biāo)芯片EP1C3T144C6中，并在GW48實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行的模擬仿真，當(dāng)輸入頻率為1 Hz～1023 Hz的信號(hào)時(shí)，頻率測(cè)量計(jì)所測(cè)的頻率完全準(zhǔn)確，當(dāng)頻率高于1023Hz時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)頻率顯示為0。

5 結(jié)束語(yǔ)
    基于FPGA設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量計(jì)，系統(tǒng)在整體上采用光電耦合器的隔離方式，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具有線路簡(jiǎn)單可靠、通用性強(qiáng)、穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于頻率電壓變換器、轉(zhuǎn)速繼電器。該設(shè)計(jì)的FPGA數(shù)字系統(tǒng)部分使用Verilog HDL語(yǔ)言，給出核心程序，并可以通過Verilog HDL語(yǔ)言的綜合工具進(jìn)行相應(yīng)硬件電路的生成，具有傳統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)方法所無法比擬的優(yōu)越性。經(jīng)過仿真后，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是成功的, 達(dá)到預(yù)期結(jié)果。同時(shí)這種方法設(shè)計(jì)的數(shù)字電子系統(tǒng)可移植性強(qiáng)、可更改性好。如果需要的頻率測(cè)量范圍需要擴(kuò)大，不需要硬件變化只需改變軟件就可以,相對(duì)非常方便。