潮流能发电监控系统的虚拟显示器设计

林恩灵，冯相忠，刘玉良，杨君

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程，舟山 316004；2.浙江省舟山市港航管理局，舟山，316000）

0 引言

能源问题的日益严峻和全球气候变化对人类生存构成了潜在威胁，而常规化石能源大量消耗所导致的二氧化碳等温室气体的过度排放被认为是危害地球环境的重要因素[1-2]。欧美许多国家当下投入了巨额经费用于开发海洋能等可再生绿色能源，而且取得引人注目的成效。例如，英国MCT公司研制的1.2 MW 潮流能水轮机/SeaGen于2008 年12 月建成，已实现并网发电，成为世界上第一个商业化潮流能电站。在亚洲，韩国取得的进展比较突出，该国Midland 电力公司跟英国Lunar能源公司已经宣布斥资500亿英镑在韩建立由300个水轮机组组成的工程项目，计划2014年前总装机容量达1.8 GW。我国潮流资源理论平均功率高达139. 4852 GW[3]，据统计50%以上分布在浙江省岱山海域。中国首座70 kW 潮流试验电站已于2002年4月建成。潮流能发电系统的总体结构如图1所示，由图可见，监测与控制是整个系统的关键所在。跟火电等常规发电相比，潮流能发电监控难度很大，而潮流能发电的稳定性研究始终是该领域的热点与难点之一。近年来，国内科研院所在潮流能发电监控方面取得一些研究成果，但是，跟国外相比相对滞后。目前潮流能发电监控相关产品的设计大多基于ASIC芯片，价格高，灵活性不强，短期内难以推广应用。基于此，本文以数字信号处理芯片DSP、复杂可编程逻辑器件CPLD以及USB接口芯片为主，设计了一个面向潮流能发电监控应用的虚拟显示器。该虚拟显示器将计算机和数据采集系统结合在一起，具有虚拟面板和用户自定义功能。它将采集到的信息通过USB 接口芯片传入主机，而主机端采用美国NI公司的Windows/ CVI软件实时显示潮流能发电的动态信息。

图1 潮流能发电总体结构图

图2 潮流能发电监控结构图

1 潮流能发电监控系统概述

潮流能发电监控系统一般由永磁同步发电机、自动变桨距控制系统、电磁离合器、电磁制动器、整流模块、蓄电池充放电控制电路、阀控式铅酸蓄电池、逆变器以及用电设备组成[1]，典型结构如图2所示。由于潮流方向、潮流速度以及海面上风向、风速的准随机变化，工作过程系统根据水轮机扭矩、速度等关键参数形成电机控制信号，通过伺服机构使水轮机工况限制在容许的浮动范围，以期达到潮流能发电系统持续稳定发电的目的。由图2知，参数采集与实时显示是潮流能发电监控的先决条件，传统方法是通过实际表盘和按钮显示参数，本文则是研究潮流能发电参数的虚拟显示方式，显示功能由软件控制，目的是提高参数显示的效率和功能升级的灵活性。

2 虚拟显示器的硬件设计

基于DSP和CPLD的虚拟显示器的总体结构如图3所示。图3的多路传感器用来检测水轮机扭矩、速度以及水流速度、方向等关键参数数据，将这些物理数据转换成模拟电参数。前端信号调理电路对传感器检测信号进行增益调理，使其达到A/D允许的输入范围。在CPLD的控制下，A/D对输入信号进行模数转换并将数据实时地保存到存储器SRAM1中，随后DSP与CPLD相配合从SRAM1中取出数据，通过USB接口传送到主机。主机端应用程序通过驱动程序读取USB总线传送的数据并显示。工作过程中，主机可随时通过USB接口发送命令给采集卡上的DSP，如改变数据通道、改变采样率等。整个虚拟示波器的硬件由三部分组成，即信号调理及A/D转换模块，CPLD控制模块和DSP模块（带USB接口）。信号调理及A/D转换模块采用普通的（放大、滤波）模拟电路和2片A/D转换芯片AD9288。下面论述其他两个模块的设计。

图3 虚拟显示器总体结构图

2.1 CPLD模块设计

该模块是整个示波器板卡的采集控制核心，根据系统要求使用的CPLD 芯片型号为Altera的MAXⅡ系列芯片EPM1270T144C5[4]。

本系统中，CPLD实现的功能逻辑有：接受DSP发出的开始采样信号，实现对ADC的控制，提供分频采样信号，开始AD转换；为ADC同步提供RAM地址计数器和写信号，把每次A/D转换结果存入SRAM1，并自动增加地址；当数据采集到达指定的深度后（如4k的样本量），CPLD发出AD OK中断信号给DSP，表示RAM已满。通过CPLD构成的总线切换电路，DSP从SRAM1中取出数据，通过USB送入PC机，完成一次数据存取。CPLD内部的逻辑除了完成采样存取外，还必须根据DSP发送的指令完成采样率，存储器深度的设定等。另外，在本系统中还用CPLD实现了DSP外扩存储器的译码电路。

2.2 带USB接口的DSP模块设计

（1） DSP部分设计

本系统采用DSP芯片TMS320VC5409[5]。系统启动时，DSP通知CPLD启动采集，采集完毕后DSP便可以访问SRAM1中的数据，并完成后继的数据处理工作。为存储程序以及实现系统的上电启动，DSP外加了一片Flash。同时，扩展了一片SRAM芯片作为片外数据存储空间，不仅使系统的调试方便，还可以用于存储DSP处理数据的结果。DSP的调试采用JTAG接口。整个DSP模块结构如图4所示。

（2）驱动程序设计

USB驱动程序也叫客户驱动程序，它不直接与硬件对话，仅靠创建USB请求块URB并使用USB驱动程序接口USBDI将URB提交到总线驱动程序就可完成硬件操作。

USB设备驱动程序的设计是基于WDM的。虽然Windows提供了多种USB设备驱动程序，但是对于特定的设备必须自己开发相应USB驱动程序。USB驱动程序是支持即插即用功能的标准WDM 驱动程序，它为实现控制传输、中断传输和批传输提供了标准接口函数。

开发驱动程序的工具有Microsoft 公司的DDK，KRF-TECH公司的WINDRIVER等。Cypress公司为了方便用户开发USB 接口，在CY7C68013 的开发包中提供了一个通用驱动程序， 该程序可经D D K 编译后直接使用。在本系统开发中，采用的就是这个通用驱动程序。

（3）USB接口设计

本文示波板卡通过USB接口同PC机相连，综合考虑成本、开发复杂度等因素，我们选择Cypress 公司的FX2系列中的CY7C68013[6]作为USB接口芯片。CY7C68013支持USB2.0协议，是一个全面集成的解决方案，占用电路板空间少而且开发时间短。CY7C68013主要包括1个8051 处理器、1个智能串行接口引擎(SIE)、1个USB收发器、16KB 片上RAM(其中包括4KB FIFO)存储器以及1 个通用可编程接口(GPIF)。CY7C68013 还具有如下特点：① 包括1个智能串行接口引擎(SIE)，执行U S B的基本功能，将嵌入的MCU解放出来以用于实现其它丰富的功能，以保证持续高速有效的数据传输；② 具有4KB的大容量FIFO用于数据缓冲，当作为从设备时，可采用Synchronous/ Asynchronous FIFO 接口与主设备( 如ASIC，DSP等) 连接；当作为主设备时，可通过通用可编程接口(GPIF ) 形成任意的控制波形来实现与其它从设备连接，能够轻易地兼容绝大多数总线标准，包括ATA、UTOPIA 、EPP 和PCMCIA等；③ 固件软配置，可将需要在CY7C68013上运行的固件，存放在主机上，当USB设备连上主机后，下载到设备上，这样就实现了在不改动硬件的情况下很方便地修改固件；④ 能够充分实现USB2.0(2000版)协议，并向下兼容USB1.1。

图4 DSP模块结构图

3 虚拟显示器的软件设计

该系统的软件设计主要包括DSP软件设计、USB软件设计和主机端软件设计。主机端软件设计，我们采用面向仪器的交互式C语言开发平台LabWindows/CVI。生成的软面板包括显示屏、Time/Div、 Voltage/Div、 Coupling， Trigger、Level等，与传统示波器的控制面板基本相同。界面上的各个控制按钮通过USB的驱动程序与板卡通信。其他两部分软件设计过程如下。

3.1 DSP软件设计

DSP模块内除去启动和必要的初始化程序外，主要是与USB和CPLD通信的程序。CY7C68013的USB2.0连接方法有两种，即Slave FIFOs和Master可编程接口GPIF。本系统选用了Slave FIFOs方式，异步读写。Slave FIFOs 方式是从机方式，DSP 可以像读写普通FIFO 一样读写CY7C68013内部的多层缓冲FIFO。工作过程为：DSP通过USB向PC发送数据时，首先查看空、半满和满这三个状态信号，然后向US B写入适当大小的数据，以保证数据不会溢出；PC 机通过USB向DSP发送命令字时，USB通过中断方式通知DSP读取命令字。

DSP与CPLD接口的控制信号线有AD START，AD OK等，工作过程首先置AD START信号线为高，告诉CPLD当前处于采样阶段，此时CPLD依据时序要求配合A/D进行采样。当采样到达指定的深度后，CPLD通过AD OK信号线通知DSP数据已准备就绪。此时，DSP软件置AD START信号线为低，表示当前处于读数据阶段，读数据的时钟由DSP进行控制。当主机端命令到达时，DSP将命令代码通过命令IO控制CPLD，CPLD将命令代码按照预先规定的协议译码，完成控制操作。DSP将接收到的数据进行一系列的处理，然后通过USB接口将数据传送到主机，直到所有的数据都传送完成。由于该示波板卡DSP具有较强的数据处理能力，可以在DSP芯片内部实现数字滤波、数据压缩等数字信号处理的功能，这也减轻了主机端数据处理的压力。

3.2 主机端软件设计

虚拟仪器系统开发中常用的软件平台有Visual C++、Visual Basic、Delphi、C++ Builde等，考虑到设计周期等因素我们采用虚拟仪器专用开发环境 LabWindows/CVI。在上述软硬件协调下，潮流能发电监控虚拟显示系统的数据采集和上传的工作流程如图5所示。

4 结语

本文设计的虚拟显示器以通用芯片DSP和CPLD为硬件基础，灵活易用还可以将一些先进的数字信号处理算法加入到程序中，实现虚拟显示器的功能升级。以本文虚拟显示器为基础的潮流能发电监控系统，能对水轮机的扭矩、速度以及水流速度、方向等关键参数实时监视，还可以将采集到的数据存储在计算机或硬盘上，对发电系统进行工况分析和故障预测，因而相关设备具有性价比高、易推广等优点。

图5 虚拟显示器的工作流程图

[1] 王刚, 历文超, 王树杰, 等. 海洋潮流能发电机组控制系统开发[J], 电力系统自动化, 2010.07, 34(14)：23-26, 69.

[2] 巩冰, 朱丽娟, 游江. 海洋潮流能发电系统的控制技术研究[J], 电测与仪表, 2010.08,47(8)：36-40.

[3] 乔繁盛. 大力开发新能源和可再生能源. 国土资源情报, 2005 (12) : 17221.

[4] 宋万杰, 罗丰, 吴顺君. CPLD技术及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.

[5] TMS320VC5409A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual [R]. SPRS140D, Dallas: Texas Instruments, 2002.

[6] Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB(R) FX2 GPIF Primer, 2003.