基于usb总线的谐波分析系统研究与设计

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1、基于USB总线的谐波分析系统研究与设计引言   使用IEEEl394接口总线实现高速信号传输，虽然能够满足较高的数据传输率(196.608Mb/s)，但是这种方案存在一定的缺陷，如设计复杂、成本高、通用化水平低、不能直接与PC机进行数据通信等。当采用RS-232(最高达到20Kb/s)或RS-485(O.11～14.4kb/s)串行总线时，虽然连接方便，成本低廉，可是带宽有限，传输速度过慢，不能组成高效的实时信号处理网络。本文给出了一种使用USB总线构成的电网谐波分析系统的设计方案。设计中，采用电

2、流互感器提取交流网络中的电流信号，AD7492把采样信号变换成离散的数字量，使用高速的FPGA做快速傅里叶运算(FFT)得到基波和频率为基波频率整数倍的多次谐波幅值和相位。PDIUSBl2USB接口芯片与廉价单片机89C51组成USB通信接口设备，连接PC上位机形成多线路实时谐波分析系统。1系统总体设计   系统总体结构如图1所示。    该系统从结构上分为电流互感采样单元、A/D采样单元、FFT运算处理单元、控制单元和USB网络接口单元。电流采样单元负责将输入的电力网络电流信号线性变换为10mA

3、的电流信号，并对信号进行电压转换；A/D采样单元对从电流互感器输出的模拟信号每周波采样256点，变换成12位的数字量；FFT运算处理单元负责处理A/D采样单元输出的数字量，进行256点FFT变换运算；网络接口单元负责提供USB网络通信的硬件电路；Nios控制单元负责系统各单元的控制，如控制A/D采样单元的采样频率和采样的启动及停止、FFT运算处理单元的控制和数据传输、USB总线的通信控制等。2系统的具体实现   电流互感采样单元是该系统的关系环节之一，其性能直接决定整个系统能达到的精度等级。电流互

4、感器变化的误差试验应由制造厂在出厂试验时完成或在试验室进行。电流互感器变比现场试验属于检查性质，不考虑上述影响电流互感器变比误差的原因，而重点检查匝数比。根据电工原理，匝数比等于电压比或电流比的倒数。因此测量电压比和测量电流比都可以计算出匝数比，如图2所示。    A/D采样单元采用了AnalogDevices公司的AD7492单通道高速12位并行输出采样芯片。该芯片使用逐次逼进式A/D转换，可以在2.7～5.25V的电压下工作，其数据通过率高达1Msps。它内含一个低噪声、宽频带的跟踪/保持放大

5、器，可以处理高达10MHz的宽频信号。所以该采样芯片能较好满足本系统的精度要求，如图3所示。    FFT运算处理单元基于一块Altera公司的Stratix系列芯片的EPls25。该芯片内嵌乘加结构的DSP块(包括硬件乘法器/硬件累加器和流水线结构)，可以完成较为耗费资源的乘法器单元。同时，该器件也包含有大量存储单元，内嵌三级存储单元，并自带奇偶校验从而可保证旋转因子的精度。FFT运算处理单元采用多层并行流水线技术，工作在40MHz的频率下，可以在1ms内完成8路工频输入信号的256点FFT运算

6、处理。Stratix系列芯片的软件开发平台为Altera公司的QuartusII，具有强大的硬件仿真和逻辑分析功能，它可以很容易将VHDL程序烧写到FPGA中。在编程时，也可采用MegaWizard的方法指定用DSP模块产生乘法器，用这种乘法器来做蝶形运算，用多个蝶形来构成FFT运算级。本设计中FFT处理单元原理如图4所示。    在设计FFT定点浮点运算取舍时，针对本系统采样源的特点，高频域的单频干扰问题不明显，不需要超高精度的苛刻指标。使用定点数时，系统结构相对简单、运算速度快，故本系统采用此

7、方案。FFT处理核采用先进的多层并行流水线技术，可以在1ms内完成8路256点的FFT运算。   Nios控制单元实际包含两大部分，即采样控制逻辑部分和FFT运算控制部分。采样逻辑部分负责AD7492的读数据逻辑控制。FFT运算控制部分包括FFT控制逻辑、采样数据缓存、FFT处理核与读取结果存储FIFO控制。从AD7492输出的12位采样数据，首先暂存于采样数据缓存中，然后FFT处理核从该缓存中读取数据进行处理，处理完毕的数据发送到队列寄存器FIFO中。FFT控制逻辑单元向Nios处理器申请中断，

8、Nios处理器响应中断，并向FFT控制逻辑单元发送读信号。然后，将FIFO中的处理结果传输到Nios处理器中，经过存储后，通过USB网络接口单元转移到USB总线，最终传输至PC上位机实现谐波分析。   USB网络接口单元是由AT89S51单片机芯片和PDIUSBI2USB接口芯片构成，如图5所示。PDIUSBl2芯片提供了标准USBl.1规范，该规范可以支持1.5Mb/s(低速)和12Mb/s(全速)两种速率事务。USB2.0版本可以支持480Mb/s超高速事务。基于本设计特点，使