摘要：給出一種基于FPGA的新型諧波分析儀的設(shè)計(jì)方案。在該方案中，采用FPGA實(shí)現(xiàn)快速的FFT運(yùn)算，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)結(jié)合Ethernet芯片實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議直接接入局域網(wǎng)，并給出實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
    關(guān)鍵詞：FPGA Verilog HDL Nios 諧波分析儀 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
引言
隨著節(jié)能技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的推廣，電力電子裝置如變頻設(shè)備、變流設(shè)備等，容量日益擴(kuò)大，數(shù)量日益增多，使電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴(yán)重，給電力系統(tǒng)和各類用電設(shè)備帶來危害，輕則增加能耗，縮短壽命，重則造成用電事故，影響安全生產(chǎn)。因此，消除諧波污染，把諧波含量控制在允許范圍內(nèi)，已成為主管部門和用電單位的共同奮斗目標(biāo)。
目前，電力系統(tǒng)中的諧波源，不但類型多，而且分布廣，用戶電網(wǎng)中的諧波電流可能來自本身的非線性設(shè)備，也可能來自外線路，如不加以區(qū)分將給諧波治理造成困難。因此進(jìn)行諧波治理之前，必須要了解電網(wǎng)中諧波的次數(shù)及其含量，即必須進(jìn)行諧波的測試。諧波測量是諧波問題的一個(gè)重要分支，它是諧波問題研究的主要依據(jù)，也是研究分析問題的出發(fā)點(diǎn)。
當(dāng)前諧波測量的主要方式有3種。

    （1）采用模擬濾波器的諧波測量
最早的諧波測量是采用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)的。即采用帶阻濾波器將基波分量濾波，得到諧波分量；或采用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測量相減得到諧波分量。該檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，輸出阻抗低，品質(zhì)因素易于控制。但也有很多缺點(diǎn)，如精度不高、誤差較大等。
（2）基于傅里葉變換的諧波測量
隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，基于傅里葉變換的諧波測量是當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣的一種方法。它的核心理論建議在傅里葉變換的基礎(chǔ)上。根據(jù)傅里葉變換理論，將模擬信號(hào)采信變成離散化數(shù)字序列信號(hào)后，輸入微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算得到基波和頻率為基波頻率整數(shù)倍的多次諧波的幅值和相位，然后將計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上或存放在磁盤中供將來統(tǒng)計(jì)使用。
（3）利用小波分析方法的諧波測量
小波分析作為調(diào)和分析的重大進(jìn)展，克服了傅里葉變換的頻域完全局部性，而在時(shí)域完全無局部性的缺點(diǎn)，即它在頻域和時(shí)域同時(shí)具有局部性。通過對(duì)含有諧波的電流信號(hào)進(jìn)行正交小波分解，利用多分辨的概念，將低頻段（高尺度）上的結(jié)果看作不含諧波的基波分量�；谶@種算法，可以利用軟件構(gòu)成諧波檢測環(huán)節(jié)，同時(shí)由于其計(jì)算速度快，能快速跟蹤諧波的變化。小波變換應(yīng)用在諧波測量方面尚處于初始階段。

    目前市場主流的諧波測量儀器均基于快速傅里葉變換理論基礎(chǔ)。將輸入的模擬量電流電壓通過A/D采樣環(huán)節(jié)變換成離散的數(shù)字量，然后進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算獲得基波和各次諧波的復(fù)數(shù)值，然后根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算相應(yīng)的諧波指標(biāo)并顯示最終結(jié)果�；贔FT的諧波時(shí)域測量儀器一般采用兩種實(shí)現(xiàn)方式：使用工業(yè)PC機(jī)或者采用高檔嵌入式系統(tǒng)。兩類實(shí)現(xiàn)方式性能可靠、運(yùn)算快速、技術(shù)成熟，是目前市場的主流產(chǎn)品。其缺點(diǎn)在于成本過高、難以擴(kuò)展輸入通道數(shù)、運(yùn)算時(shí)消耗系統(tǒng)資源大。就廣大電力系統(tǒng)用戶而言，對(duì)成本低廉、運(yùn)算快速、易于進(jìn)行通道擴(kuò)展的諧波分析儀有強(qiáng)烈的市場需求。

本文給出了種基于FPGA的新型諧波測量儀，該儀器集成了A/D采樣單元、FFT運(yùn)算處理單元、顯示單元和網(wǎng)絡(luò)通信單元。系統(tǒng)使用FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的處理器Nios作為系統(tǒng)的嵌入式處理器，來控制14位高速A/D采樣芯片、FFT運(yùn)算核和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能、顯示功能。其FFT運(yùn)算處理單元核心為基于FPGA的FFT運(yùn)算核，采用先進(jìn)的多層并行流水線技術(shù)，可以在200μs內(nèi)完成1024點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)單精度浮點(diǎn)數(shù)FFT運(yùn)算，理論上可以實(shí)現(xiàn)8路工頻輸入信號(hào)的FFT運(yùn)算處理；A/D采樣單元使用14位高速A/D采樣芯片實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)掃描采樣功能，并利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)同步采樣；顯示單元為LCD顯示屏；網(wǎng)絡(luò)通信基于Ethernet和RS485，使用RFC 1600規(guī)范。該系統(tǒng)成本低廉，易于擴(kuò)展、處理能力強(qiáng)大、可測量8路輸入信號(hào)50次以內(nèi)諧波，精度可以達(dá)到GB/T 17626.7規(guī)定的A級(jí)測量儀器精度要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為CT/PT變送單元、A/D采樣單元、FFT運(yùn)算處理單元、控制單元、顯示單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元。CT/PT變送單元負(fù)責(zé)將輸入的150～390V電壓信號(hào)線性變換為5mA的電流信號(hào)，輸入的0～15A電流信號(hào)線性變換5mA的電流信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償；A/D采樣單元對(duì)從CT/PT變送單元輸出的模擬信號(hào)每周波采樣256點(diǎn)，精確變換成14位的數(shù)字量；FFT運(yùn)算處理單元負(fù)責(zé)處理A/D采樣單元輸出的數(shù)字量，進(jìn)行256點(diǎn)FFT變換運(yùn)算；顯示單元負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)的全部顯示信息；網(wǎng)絡(luò)接口單元負(fù)責(zé)提供網(wǎng)絡(luò)通信的硬件實(shí)現(xiàn)電路；控制單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個(gè)單元的控制，如控制A/D采樣單元的采樣頻率和采樣的啟動(dòng)及停止、PLL電路的輸出頻率計(jì)算、鍵盤輸入的響應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)通信的軟件實(shí)現(xiàn)、FFT運(yùn)算處理單元的控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/P>

    從該系統(tǒng)結(jié)