船舶电网参数监测与分析装置的研究和设计

俞庆，姜文刚

（江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003）

0 引言

船舶电网属于微电网，其电站容量小，电压变化频繁[1,2]，为掌握船舶电网实时运行状况，分析船舶电网电能质量[1,3]，实现船电设备及配电支路的功率监测[4,5]，保证全船生产和生活的用电需要，故需要对船舶电网展开实时监测。

本文设计了一种基于FPGA和ARM的船舶电网参数监测装置。该装置将FPGA的并行运算能力和ARM芯片的多任务处理能力相结合，可以实时在线监测电网电压、电流、频率、30次内的电压和电流谐波、有功功率、无功功率等电力参数，对进一步提高船舶电网的自动化水平、提高供电的安全性和可靠性具有一定意义。

1 监测装置总体设计

监测装置主要由信号调理电路、过零检测电路、锁相倍频电路、模数转换器、FPGA处理器、ARM处理器以及相关外围电路构成。监测装置的核心是FPGA和ARM处理器，两者各司其职，FPAG实现数据采集和谐波计算，ARM处理器则完成通讯、显示、人机交互等任务层的功能。谐波参数的计算采用了目前主流的快速傅里叶变换算法（FFT）实现[6,7]，不同的是该监测装置在FPGA内部建立了一个硬件FFT处理机。该处理机在50 MHz的时钟下，完成一次512点的FFT运算只需65.7 μs，因而可实时在线计算六路电网信号的谐波。采用FPGA+ARM双处理器的结构比采用单处理器如ARM或DSP拥有更快的处理速度，提高了检测装置的实时性。监测装置的总体结构如图1所示。

图1 监测装置总体结构框图

监测装置设计了RS232接口模块和CAN接口模块，可以同时用于本地通讯和组建CAN网络进行远程通讯。另外监测装置扩展了温湿度传感器、开关量输入输出模块，分别可用于环境温湿度的监测，船舶配电板开关量信号的输入以及船舶配电板开关量信号的控制。

2 监测装置的硬件设计

2.1 信号调理电路

该部分电路主要功能是将互感器输出的交流信号转换成ADS7864可以接受的电压范围，并进行抗混叠滤波，单路信号调理电路如图2所示。

电路从左到右依次分为电流采样、抗混叠滤波、电平提升三个部分。文中使用的电压互感器型号为TV16E，电流互感器型号为TA1100，二者将电网电压和电流均线性转换成电流信号输出，故需先将该电流信号通过取样电阻转换为电压信号。在设计硬件时，文中采用了监测装置与互感器分离的设计，这样不仅隔开了强电与弱电，减少了干扰，并且可以针对不同容量的电网，可方便更换不同型号的互感器。

图2 信号调理电路

图中MAX291对采样前的信号进行抗混叠滤波，防止使用FFT算法计算谐波时出现频谱混叠。MAX291是一种基于开关电容原理的八阶巴特沃斯型低通滤波器，其3dB截止频率可在0.1～25kHz之间选择，且拥有陡斜的过渡带和很高平坦度的通带[8]。MAX291只需一个时钟驱动电路工作，该时钟的频率应为3dB截止频率的100倍。

图2右端部分电路为电平提升电路。由运放的虚短、虚断特性可以计算出该部分电路的输出为。根据图中参数即可得UAS=Ui+Vref，其中Ui为滤波器输出电压，Vref为2.5 V参考电压，故模数转换器可接受-2.5～+2.5 V的双极性电压输入。

2.2 过零检测电路

考虑到三相电网的缺相可能会造成采样触发信号丢失，使监测装置无法工作，故将电网三相电压信号叠加，再对叠加后的信号进行过零检测。

图3 过零检测电路

由图3可知，U4的输出电压为Uo=UA+UB-UC，对于三相电网有UA+UB+UC=0，故Uo=-2UC，即输出信号的频率与电网信号的频率是一致的。根据三相电网的矢量运算规则，进一步可以看出无论缺哪一相或者哪两相，Uo输出信号的频率与电网频率均保持一致。所以即使在缺相的情况下，该电路均能产生触发信号，保证了监测装置的可靠运行。U4的输出经比较器和光耦电路，输出0～5 V的方波信号，作为锁相倍频电路的输入。

2.3 锁相倍频电路

在使用FFT算法计算谐波时，为了减少频谱泄露，提高检测精度，需要对电网信号进行同步采样。实现同步采样最方便的方法是使用硬件锁相环对电网信号进行倍频，产生同步于电网信号的采样触发信号，图4的电路即实现了该功能。

过零比较电路产生的方波信号输出到由CD4046和CD4020构成的锁相倍频电路的输入端，而锁相倍频电路的输出是与电网频率同步的倍频信号，用以触发AD同步采样。这里锁相倍频电路的输出信号没有直接连接到模数转换器的采样触发引脚，而是输入到FPGA，由FPGA控制其完成数据采集。

图4 锁相倍频电路

2.4 AD转换电路

采样多路信号大多是通过模拟开关公用一个AD转换器，分时对各路信号进行采样和转换。这样不仅电路复杂，而且难以避免采样的孔径时间以及器件间的影响引起的误差。因此该监测装置选用了可以同步采样六个通道信号的模数转换器——ADS7864，在硬件上杜绝了分时采样造成各相信号之间不同步的问题，因而该器件非常适合于电机、三相电网的监控[9]。

ADS7864的工作电源分为模拟电源和数字电源，为减少转换噪声，提高转换精度，模拟电源和数字电源需单点共地。ADS7864数字电源为5V，而FPGA的IO输出电压最高为3.3 V，为避免使用电平转换芯片，将AD输出给FPGA的信号串入470 Ω的限流电阻，防止损坏FPGA端口，同时FPGA经过100 Ω电阻将相关信号输出给AD芯片。经样机实际验证，电路工作正确可靠。

2.5 FPGA电路

图5 FPGA电路图

图5显示了FPGA内部需要实现的功能框图。根据ADS7864工作时序所设计的AD采样控制器，在倍频信号的触发下控制AD芯片完成三相电压和三相电流六个电网信号数据的采集任务。传统上采样控制是基于微处理器的中断方式实现的，由于进入中断服务程序时间的不确定，会造成采样间隔的微小变化，并且需要不停地打断处理器原有程序的执行，降低了程序的执行效率。该监测装置使用FPGA以硬件的方式控制AD采样，相对于传统方式，可以做到严格的实时采样，解放了后级处理器，使其专注于完成更高级的系统任务，大大提高了监测装置的实时性。

在内部读写控制逻辑模块的协调和控制下，通过AD采集到的数据被写入到FPGA内部定制的输入数据双口RAM中，同时FFT处理机从该RAM中读取数据，经过FFT处理机运算后，结果数据再写入到输出数据双口RAM中，以供后继的ARM处理器读取。另外采样到的原始数据也会通过一个数据通道传送给输出数据双口RAM。

ARM处理器通过其特有的静态存储器控制器（FSMC）接口，以总线的方式访问输出数据双口RAM。这种方式相对使用基于程序控制普通IO口模拟总线信号读写数据的方式要高效得多。图中FSMC_NE3、FSMC_NWE、FSMC_NOE、FSMC_A[0..12]、FSMC_D[0..15]组成了FSMC接口的信号线。DataRdy作为一个输出信号，用以指示FPGA内部是否有已经处理好的数据，该信号连接到ARM处理器的外部中断引脚。

2.6 ARM处理器相关电路

监测装置选用了一款Cortex-M3内核的ARM芯片——STM32F103ZET6。该处理器最高可工作在72 MHz的主频下，同时内部拥有512KB的Flash和64KB的RAM。除此之外，处理器内部还集成了多达5个USART控制器、一个bxCAN控制器、一个全速的USB2.0 接口、3个SPI接口、2个I2C接口以及AD、DA等丰富的外设[10]，使其满足工业领域的一般应用需要。

监测装置设计了RS232和CAN两种通讯接口。RS232接口主要用于本地通讯，而CAN接口则用于远程监控。船舶上CAN总线是一种使用非常广泛的现场总线[11,12]，故监测装置选择了CAN总线作为远程通讯方式。STM32F103ZET6内部已经集成了支持CAN2.0A和CAN2.0B协议的bxCAN控制器，因此要实现CAN通讯，只需再外接一个CAN收发器。考虑到需要工作在3.3V电压下，这里选用了与常用的PCA82C250引脚兼容的VP230来实现CAN收发器的功能。

除此之外，监测装置还有电源模块、LCD接口电路、温湿度传感器电路、开关量输入、开关量输出、用户按键输入、JTAG下载等电路模块，在此不再做一一介绍。

3 监测装置软件设计

监测装置的程序包含FPGA程序和ARM程序。FPGA程序的开发是在ISE10.1集成开发环境下，使用VHDL硬件描述语言实现的。程序分为AD采样控制器模块、FFT处理机模块、双口RAM读写控制模块以及协调这些模块工作的控制逻辑模块，这些电路模块在系统时钟的作用下，并行工作，大大提高了监测装置的实时性。

FPGA采集到的原始数据以及FFT运算结果以中断的方式通知ARM处理器读取，以实时计算电压电流有效值、各次谐波幅值、电网频率、有功功率、无功功率、功率因数等测量参数。所得结果通过CAN总线发送到监控主机，同时也可在本地液晶屏上实时显示。ARM处理器工作在任务层，其程序结构总体上划分为设置功能模块、测量功能模块，分析功能模块、统计功能模块，通讯模块以及前台中断程序模块，各大模块又由若干子模块构成。图6是ARM处理器的程序结构图。

图6 ARM处理器程序结构图

4 结论

文本详细介绍了采用FPGA和ARM双处理器技术的一种船舶电网参数监测与分析装置的设计与实现。基于该监测装置，可以实时在线监测船舶电力系统三相电网的电压、电流、频率、谐波、有功功率、无功功率等电力参数，满足船舶电网的实时监测需要，为生产和生活用电提供保障。

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