用FPGA實現(xiàn)發(fā)電機組頻率測量計

1 引言
    在現(xiàn)代社會中，電資源成為人們生活當中不可缺少的一部分，而發(fā)電機和電動機在電力系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。在很多場合，需要對電機組和電網(wǎng)的頻率進行測量。目前，頻率測量的電路系統(tǒng)很多，這里介紹一種數(shù)字電路測頻：基于FPGA的發(fā)電機組的頻率測量計。
    隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，以EDA為代表的數(shù)字電路設(shè)計發(fā)生很大變化。在設(shè)計方法上，已經(jīng)從“電路設(shè)計—硬件搭試—焊接”的傳統(tǒng)設(shè)計方式到“功能設(shè)計 —軟件模擬—下載調(diào)試”的電子自動化設(shè)計模式。在這種狀況下，以硬件描述語言(Hardware Description Language)和邏輯綜合為基礎(chǔ)的自頂向下的電子設(shè)計方法得到迅速發(fā)展。Verilog HDL語言是目前應(yīng)用最廣泛的硬件描述語言，它是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，語法較為自由靈活、擁有廣泛的學(xué)習(xí)群體、資源比較豐富，且容易學(xué)簡單易懂。本文發(fā)電機組頻率測量計的設(shè)計是在Verilog hdl語言的基礎(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(功能仿真和時序仿真)，F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列) 選用的是Cyclone系列的EP1C3T144C6器件。

2 頻率測量電路
2.1頻率測量的總體電路
    采用電壓互感器取來自于發(fā)電機組端電壓或電網(wǎng)電壓的測頻輸入信號，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)放大電路將信號放大整形，再用電壓比較電路將具有正負幅值的方波變成只有正幅值的方波信號。然后，通過光電耦合器使FPGA的數(shù)字系統(tǒng)與輸入信號隔離。FPGA數(shù)字系統(tǒng)利用標準的1HZ信號對隔離后的方波信號的脈沖個數(shù)進行計數(shù)，得到信號的頻率數(shù)，該頻率數(shù)經(jīng)數(shù)碼管顯示。由于發(fā)電機組的頻率與發(fā)電機組端電壓有關(guān)系，可以從頻率的變化得到發(fā)電機組端電壓的變化。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頻率測量的原理
    頻率測量的原理是計算每秒鐘待測信號的脈沖個數(shù)，也就是利用標準的1HZ (周期為1s) 脈寬信號對輸入的待測信號的脈沖進行計數(shù)，1秒計數(shù)結(jié)束后對采集到脈沖個數(shù)送到數(shù)碼管顯示。
    測頻控制器有3個輸入信號：Samplefreq為標準的脈沖信號，Reset是復(fù)位控制信號，Start是開始測量信號；3個輸出信號： Endmeasure是結(jié)束測量信號(計數(shù)復(fù)位和轉(zhuǎn)換復(fù)位)，Gate是允許計數(shù)信號(即門控信號)，Enableconvert是開始轉(zhuǎn)換信號。控制流程是先對頻率計復(fù)位，再開始測量，在Samplefreq信號的上升沿，Gate信號使能使計數(shù)器開始工作，到Samplefreq的下一個上升沿， Gate反轉(zhuǎn)成低電平使計數(shù)器停止計數(shù)，同時Enableconvert使轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換二進制數(shù)(轉(zhuǎn)換時間低于1s)。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，十進制數(shù)經(jīng)過7段顯示譯碼器譯碼，然后在數(shù)碼管中顯示所測信號的頻率。由于Enableconvert信號的使用使數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，不會出現(xiàn)閃爍。進行下次測量之前要對頻率計進行復(fù)位，使數(shù)碼管的數(shù)字顯示清零，為下次顯示做準備。
    本文設(shè)計的數(shù)字頻率計有六個模塊組成：測頻控制模塊(Control)、十分頻模塊(divfreq)、二進制計數(shù)器模塊(Counter)、鎖存器模塊(Latch)、二進制到十進制的轉(zhuǎn)換器模塊(Bit2Bcd)、7段顯示譯碼器模塊(Led_encoder)。

3 頻率測量計的設(shè)計
    本次設(shè)計采用Verilog HDL語言，運用自頂向下的設(shè)計理念。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)系和對外的接口關(guān)系進行了描述, 而功能塊的邏輯功能和具體實現(xiàn)形式則由下一層模塊來描述。整個設(shè)計分兩步：第一步利用Quartus Ⅱ5.0圖形塊輸入方式設(shè)計頂層模塊，頂層圖形塊如圖2所示；第二步在頂層模塊中為每個圖形塊生成硬件描述語言(Verilog HDL)，然后在生成的Verilog HDL設(shè)計文件中，對低層功能模塊的功能進行描述設(shè)計。
 
圖2　頂層圖形塊
3.1 測頻控制模塊設(shè)計
這是三輸入三輸出模塊，測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　測頻控制器波形仿真時序圖

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

4  仿真和調(diào)試
　　通過上述的描述，從各個模塊獨立的角度對其進行了仿真，結(jié)果表明設(shè)計符合要求。為了保證系統(tǒng)的整體可靠性，對整個系統(tǒng)做了仿真，仿真時序圖如圖5所示：
 
圖5　系統(tǒng)仿真時序圖
　　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)計的頻率測量計下載到目標芯片EP1C3T144C6中，并在GW48實驗箱上進行的模擬仿真，當輸入頻率為1 Hz～1023 Hz的信號時，頻率測量計所測的頻率完全準確，當頻率高于1023Hz時，系統(tǒng)報警，同時頻率顯示為0。

5 結(jié)束語
    基于FPGA設(shè)計的發(fā)電機組頻率測量計，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)具有線路簡單可靠、通用性強、穩(wěn)定度高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于頻率電壓變換器、轉(zhuǎn)速繼電器。該設(shè)計的FPGA數(shù)字系統(tǒng)部分使用Verilog HDL語言，給出核心程序，并可以通過Verilog HDL語言的綜合工具進行相應(yīng)硬件電路的生成，具有傳統(tǒng)邏輯設(shè)計方法所無法比擬的優(yōu)越性。經(jīng)過仿真后，驗證設(shè)計是成功的, 達到預(yù)期結(jié)果。同時這種方法設(shè)計的數(shù)字電子系統(tǒng)可移植性強、可更改性好。如果需要的頻率測量范圍需要擴大，不需要硬件變化只需改變軟件就可以,相對非常方便。