（模式识别与智能系统专业论文）电力系统谐波分析仪的嵌入式实现.pdf

e m b e n d e dr e a l i z a t i o no fp o w e r s y s t e mh a r m o n i c a n a l y z e r at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h e n g e n r a n g p r o f e s s o f 丛塑l i 丛g k 坠卫 m a y ，2 0 10 电力系统谐波分析仪的嵌入式实现 摘要 电力系统中的谐波具有很大危害，对电网中的谐波进行分析，为谐波整 治提供依据，具有重要意义。目前，电力系统谐波分析大多采用d s p 实现， 要满足系统实时性要求，就要采用价格昂贵的高性能d s p ，因此，基于d s p 的谐波分析仪造价高昂。随着f p g a 技术的发展，其片上资源日益丰富，丰 富的片上存储单元，内嵌硬件乘法器、加法器，能够很方便的实现各种运算， 单片既能实现复杂系统，同时，f p g a 具有强大的并行处理能力，具有很强 的数字信号处理能力，加之，基于f p g a 的系统成本较低，设计周期较短， 这为电力系统谐波分析提供了一种新的实现方法。 本文以离散傅里叶变换为核心。在a l t e r a 公司的d e 2 开发板上实现了 电力系统5 0 次以内谐波的测量。主要工作有：分析电力系统谐波测量特点， 完成了系统总体框架的设计；对f f t 谐波测量算法的性能进行了简单分析， 针对电力系统谐波测量特点，采用不间断采样电网信号的方法，有效解决了 频谱泄露问题；通过选择适当的采样频率与f f t 点数，使得采样信号经f f t 变换后频谱的频率分辨率为基波频率，有效防止了栅栏效应的发生；对每一 路采样数据采用两个双端口r a m 进行轮流存储，有效保证采样的连续性； 对a d 7 3 3 6 0 的配置与a d 数据的串并转换通过在f p g a 中用v e r i l o gh d l 设计a d 控制器的方法来实现，有效节约c p u 处理时间，降低程序复杂程 度，提高了系统的实时性；在n i o s l i 软核处理器中完成f f t 算法，基本满 足系统实时性要求，大大节约系统硬件开销，降低了硬件设计复杂程度。 通过对电网信号进行实际测量，得出电网中各谐波参数，结果表明，本 文设计的谐波分析系统能够对电力系统5 0 次以内谐波进行有效测量，满足 设计要求。 关键词：电力系统谐波分析，嵌入式，现场可编程门阵列，n i o s l i ，快速傅 里叶变换 l i e m b e n d e dr e a l i z a t i o no fp o w e r s y s t e mh a r m o n i ca n a l y z e r a b s t r a c t t h eh a r m o n i ci so fg r e a t l yh a r mt ot h ep o w e rs y s t e m ，t h ea n a l y s i so f h a r m o n i ci nt h ep o w e rs y s t e mp r o v i d e sab a s i sf o rh a r m o n i cr e c t i f i c a t i o na n dh a s g r e a ts i g n i f i c a n c e a tp r e s e n t ，t h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i ca n a l y s i si sm o s t l y u s i n gt h ed s p t oa c h i e v e i no r d e rt om e e tt h eh i g hr e a l t i m er e q u i r e m e n to ft h e p o w e rs y s t e mh a r m o n i ca n a l y s i s ，t h ee x p e n s i v eh i g h p e r f o r m a n c ed s pm u s tb e u s e d t h e r e f o r e ，t h ec o s to ft h eh a r m o n i ca n a l y z e rb a s e do nd s pi sh i g h w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h ef p g a t e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n g l yr i c hr e s o u r c e s o n - c h i p ，t h er i c hr e s o u r c e s o fo n c h i pm e m o r y , a n dt h ee m b e d d e dh a r d w a r e m u l t i p l i e r sa n da d d e r s ，o n es i n g l e - c h i pc a nc o m p l e t et h ef u n c t i o no f t h ec o m p l e x s y s t e m f o rt h ep o w e r f u lp a r a l l e lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo ft h ef p g a ，i tc a nb e e a s i l yu s e dt oa c h i e v eav a r i e t yo fo p e r a t i o n s t h ef p g a h a ss t r o n gd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y m e a n w h i l e ，t h ec o s to fs y s t e mb a s e do nf p g ai sl o w a n d t h ed e s i g nc y c l ei sl o w t h e r e f o r e ，i tp r o v i d e san e wr e a l i z a t i o nm e t h o do f p o w e r s y s t e mh a r m o n i ca n a l y s i s i nt h i sp a p e r ，iu s et h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r ma st h ec o r e ，a c h i e v e5 0 t i m e sh a r m o n i cm e a s u r e m e n to ft h ep o w e rs y s t e mo na l t e r a sd e 2 d e v e l o p m e n t b o a r d t h em a i nt a s k sa r e ：a n a l y s i so fp o w e rs y s t e mh a r m o n i cm e a s u r e m e n t c h a r a c t e r i s t i c si sd o n e ，t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h es y s t e mi sd e s i g n e d ；s i m p l e a n a l y s i so f t h ep e r f o r m a n c eo ff f ta l g o r i t h mf o rh a r m o n i cm e a s u r e m e n ti sd o n e ， c o n s i d e r st h ec h a r a c t e r i s t i c so f p o w e rs y s t e mh a r m o n i cm e a s u r e m e n t ，m e t h o do f c o n t i n u o u ss a m p l i n go ft h ep o w e rs i g n a l si su s e d ，t h i se f f e c t i v e l ys o l v e st h e p r o b l e mo fs p e c t r u ml e a k a g e ；b ys e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t es a m p l i n gf r e q u e n c y a n df f tp o i n t s ，m a k i n gt h ef r e q u e n c yr e s o l u t i o no ft h es p e c t r u mi sf u n d a m e n t a l f r e q u e n c y , t h u se f f e c t i v e l yp r e v e n t i n gt h eo c c u r r e n c eo ft h ef e n c ee f f e c t ；u s i n g t w od u a l - p o r tr a mt os t o r et h ed a t ao fe a c hc h a n n e l ，w h i c he f f e c t i v e l ye n s u r e s t h ec o n t i n u i t yo fs a m p l i n g ；c o n f i g u r a t i o no fa d 7 336 0i sa c h i e v e db ya d c o n t r o l l e rw h i c hi sd e s i g n e db yv e r i l o gh d li nf p g a ，i ts a v e st h ec p u p r o c e s s i n gt i m ee f f e c t i v e l y , r e d u c e st h ec o m p l e x i t yo f t h ep r o g r a m ，a n di n c r e a s e s i l l t h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ；u s i n gt h en i o s i is o f t - c o r ep r o c e s s o rt o d ot h ef f ta l g o r i t h m ，i tm e e t st h es y s t e mr e a l t i m er e q u i r e m e n t s ，c u t sd o w nt h e h a r d w a r ec o s t ，r e d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g nc o m p l e x i t y t h r o u g hm e a s u r i n gt h es i g n a lo ft h ep o w e rs y s t e m ，t h ed i f f e r e n th a r m o n i c o ft h e。so b t a i n e d t h er e s u l t ss h c t h a tt h eh a l e analysisoarameter o ft h eg r i dl so b t a i n e d h er e s u l t ss f l o wu l a tt i l en a r m o n l ca n a l y s i s s y s t e md e s i g n e di nt h ep a p e ri sa b l et om e a s u r e t h eh a r m o n i cw i t h i n5 0t i m e so f t h ep o w e rs y s t e me f f e c t i v e l y , a n di tc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e mh a r m o n i ca n a l y s i s ，e m b e d d e d ，f p g a ，n i o s l i ，f f t i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论：1 1 1 电力系统谐波分析的重要性1 1 2 电力系统谐波分析的现状2 1 2 1 谐波分析方法2 1 2 2 谐波分析技术发展现状3 1 3 本文主要研究工作5 2 相关知识介绍6 2 1 可编程器件简介6 2 2 硬件描述语言简介8 2 3 q u a r t u s l i 开发工具简介9 2 4n i o s l i 嵌入式处理器简介1 0 2 5d e 2 开发板简介1 1 2 6 本章小结1 2 3 基于f p g a 的电网谐波测量1 3 3 1 谐波测量指标分析1 3 3 2 系统的结构设计1 4 3 3f f t 谐波分析算法的性能分析1 5 3 3 1f f t 谐波分析算法原理一1 5 3 3 2f f t 谐波测量算法的性能1 8 3 3 3 频谱泄露与栅栏效应分析2 0 3 4 本章小结2 2 4 电网谐波分析仪设计2 3 4 1 谐波测量前端电路设计2 3 4 1 1 变送电路、调理电路及滤波电路设计2 3 4 1 2a d 电路设计2 6 4 2f p g a 中功能模块的设计2 7 4 2 1a d 控制器的设计2 7 4 2 2 数据存储单元设计3 4 4 3n i o s l i 软核c p u 设计3 7 4 4 按键与显示电路设计3 9 4 4 1 键盘设计3 9 4 4 2 显示电路设计4 2 4 5 其他外围电路设计与抗干扰设计4 5 4 6 本章小结4 6 5 分析仪的实测结果4 7 5 1 电网信号的采集与预处理4 7 5 2 谐波分量的获取4 8 5 3 本章小结5 4 6 全文总结与展望5 5 致谢5 6 参考文献5 7 攻读学位期间发表的学术论文及科研情况6 0 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明6 1 i i 电力系统谐波分析仪的嵌入式实现 1 绪论 本章分析了电力系统谐波分析的重要性，研究了目前谐波分析的主要方法，探讨了 各种方法的优缺点，最后阐述了本文所作的主要工作。 1 1 电力系统谐波分析的重要性 理想的电网系统中，电流和电压都应该是正弦波。在只含线性元件( 电阻、电感及 电容) 的简单电路里，流过该电路的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。 而在实际的电力系统中，由于存在非线性负荷，流过这种负荷时产生的电流与电压不成 正比，会产生非正弦电流，根据傅立叶原理，任何周期波形都可以分解成一个基频正弦 波和许多谐波频率正弦波，谐波频率是基波频率的整数倍，对于国内电网来说，基波频 率为5 0 h z ，二次谐波为1 0 0 h z ，三次谐波频率为1 5 0 h z ，以此类推，n 次谐波的频率为 5 0 n h 一1 】。 随着现代工业的高速发展，电力系统的非线性负荷日益增多，如各种换流设备、变 频装置、电弧炉、电气化铁道等非线性负荷遍及全系统，电视机、节能灯等家用电气的 使用越来越广泛。这些非线性负荷产生的谐波谐波对各种电力设备、通讯设备及线路都 会产生有害的影响，严重时会造成设备损坏和电力系统事故。尤其是近年来电子设备迅 速的增长，而对它们的谐波影响问题还缺乏足够的研究，因此应当加速在这方面的研究 工作。在我国有些电力系统和供电系统中，上述一些危害己经多次发生，而且谐波和负 序电流产生的综合危害曾引起大容量发电机的跳闸，谐波干扰也曾造成线路保护误动作 跳闸而造成大面积停电，因此不论从保证电力系统和供电系统的安全经济运行或是从保 证设备和人身的安全来看，对谐波污染造成的危害影响加以经常监测和限制都是极为迫 切的删。 谐波对公用电网和其他系统均能产生较大危害，因此，消除谐波污染，把谐波含量 控制在允许范围内，己成为主管部门和用电单位的共同奋斗目标。目前，电力系统中的 接入设备类型多，分布广，用户电网中的谐波电流可能来自系统本身的非线性设备，也 可能来自外线路。因此进行谐波治理之前必须进行准确的谐波测量。谐波测量是谐波治 理的重要前提条件，也是分析解决谐波治理问题的基本问题。本课题就是要以实际应用 为目的完成电力系统谐波分析仪的实现，以达到在实际中方便准确的测量出电力系统中 主要谐波各种参数的目的，为谐波消除工作提供依据。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 电力系统谐波分析的现状 1 2 1 谐波分析方法 目前，国内外已有各种谐波检测的研究 5 - 9 1 ，大体上可以分为频域和时域理论，形成 了多种谐波检测方法，如频域理论的模拟滤波，时域理论的傅立叶变换、小波变换、瞬 时无功功率理论、广义d q 旋转坐标变换、神经网络等。 对于频域理论来，就是采用模拟滤波原理【l 】，它是早期进行谐波检测采用的方法。 这种方法的优点是实现电路简单、输出阻抗低、造价低、品质因素易于控制。当然这种 方法也有很多缺陷，随着对电力系统谐波检测要求的不断提高以及新的谐波检测方法日 益成熟，该方法己基本被淘汰。 对于时域理论，目前常用的有傅立叶变换、瞬时无功功率理论、小波变换、神经网 络、广义d - q 旋转坐标变换等。 1 傅立叶变换法。快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 是目前最常用的 一种谐波检测方法。目前，f f t 技术已经十分成熟，但是f f l 也有其局限性，主要是会 产生频谱泄漏和栅栏效应，导致算出的信号参数( 幅值、频率和相位) 不准确，尤其是 会产生很大的相位误差，有时不能满足检测精度的要求。为了提高检测精度，人们提出 很多改进型f f t 算, 法f l l o l ，主要是利用加窗插值算法来修正快速傅立叶算法、修正采样点 法及使用锁相环同步采样频率和信号频率，其中加窗插值算法已比较成熟，已经发展出 矩形窗、布莱克曼窗、海宁窗、哈里斯窗等数十种不同的窗供选择使用。电力系统中稳 态谐波检测大多采用f f t 及其改进算法，而对于非稳态谐波，则需要采取别的方法。 2 小波变换法1 1 5 】。小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w t ) 在分析非稳态信号方 面十分有效，是目前分析非稳态信号常用的方法。但是小波变换在稳态谐波检测方面不 如f f t 及其改进算法，且小波变换理论和应用研究时间较短，在谐波测量应用方面尚处 于初期，还很不成熟，很不完善。 3 瞬时无功功率理论 1 c , q g 与广义d - q 旋转坐标变换1 1 9 。基于瞬时无功功率理论的谐 波检测研究已经相当深入，已经取得了工程应用成果，目前对总谐波的实时监测多采用 此法。但是，该理论是基于三相三线制电路提出的，在对单相电路进行检查时，需要对 三相电路进行分解，再构造基于瞬时无功功率理论的单相谐波检测电路。近年来，出现 了基于广义瞬时无功功率理论的谐波检测方法，这种方法已经受到重视，开始应用于工 程实际当中。它与瞬时无功功率理论一样，在解决谐波总量的实时测量方面具有很强的 优势，但是却满足对各次谐波检测问题的要求。还有人提出了基于广义d q 旋转坐标变 换的谐波检测方法 2 0 l ，这种方法可以实现各次谐波的检测，但是由于电路耗费相当大， 目前仍处于理论探讨阶段，并未深入到工程应用研究当中。 2 电力系统谐波分析仪的嵌入式实现 4 神经网络法。近年来，国内外应用神经网络( n e u r a ln e t w o r k ，n n ) 进行谐波检 测的相关研究文献迅速增多，而且也取得了一些工程应用成果口厕。但是，神经网络在工 程实际中应用还存在很多问题，例如：没有规范的神经网络构造方法，需要大量的训练 样本，如何确定需要的样本数没有规范方法，神经网络的精度对样本有很大的依赖性， 等等。另外，神经网络和小波变换一样，目前正处于研究阶段，研究和应用时间短，实 现技术仍不够完善，因此，仍然没有在工程实践中广泛应用。 对以上各种谐波检测方法进行综合分析可知，在这些方法中基于瞬时无功功率理论 的谐波检测方法实时| 生很高，适用于无功补偿等谐波抑制领域，但是这种方法只能检测 出谐波总值，因此不适合于谐波分析仪。小波变换和神经网络法是正在研究的新方法、 新理论，是目前谐波测量方法的热门话题，但是这两种方法具有许多不完善的地方，加 之其算法较为复杂，因此目前也不适用于谐波分析仪。目前，快速傅立叶变换法是谐波 检测领域应用最为广泛的一种方法。虽然，f f t 也有它的局限性，但是它已相当成熟， 在谐波测量应用中具有精度高、功能多、使用方便等特点，而且经过改进后的f f t 算法 在谐波检测应用中具有较高的实时性和测量精确度。因此，在本设计中，采用改进f f t 算法作为谐波检测方法。 1 2 2 谐波分析技术发展现状 电力谐波分析技术的发展按主要硬件大体可分为r 、l 、c 器件、不可编程逻辑器 件、可编程器件( 微处理器、计算机、数字信号处理器、可编程逻辑器件等) 等几种技 术阿。 、 1 r 、l 、c 器件。利用r ( 电阻) 、l ( 电感) 和c ( 电容) 器件构成模拟滤波 器是一种经典的谐波检测实现技术。检测原理简单、能够实时检测是它最为突出的优点。 但是电路的抗干扰性能较差，检测精度不高，分辨率低，而且体积大、功耗高，随着新 的谐波检测实现技术的发展，目前已很少采用。 2 不可编程逻辑器件。不可编程逻辑器件与传统r 、l 、c 器件相比，具有体积小、 功耗低、性能稳定等优点，但是由于其不可编程，难以在其上实现f f t 、w t 、n n 等较 复杂的谐波检测算法，所以在工程应用中受到很大限制。 3 可编程器件。可编程器件在实际应用中有着巨大的优越性，因而得到了飞速发展， 目前已经出现了种类繁多的可编程器件，如微处理器、计算机、数字信号处理器、可编 程逻辑器件等。在可编程器件上可实现各种算法，目前已成为谐波分析的主要实现技术， 是谐波测量优先选用的器件。 1 ) 计算机。计算机的诞生和发展，使得各种时域理论的算法非常容易实现，从而促 进了f f t 等复杂的时域分析方法在谐波检测领域的应用。但是，计算机体积庞大、价格 比较高，因此在工程应用中具有很大的局限性。 陕西科技人学硕士学位论文 2 ) 微处理器。早期的微处理器，位数比较低，运算速度不高，在实现f f t 时，实 时性较差，在进行谐波测量师，有事不得不以牺牲谐波测量精度和谐波检测的次数为代 价来保证测量的实时性，在n n 、w r 等算法的实现上也存在同样的问题。随着高位、 高速微处理器的出现，这个问题已得到了解决，因此，微处理器目前在实际工程中得到 最广泛应用。 3 ) 数字信号处理器。数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 采用程序指 令与数据的存储空间分开的哈佛结构，指令空间和数据空间拥有自己的地址与数据总线， 可以同时读写指令和数据，从而大大提高了d s p 的运算速度。目前，d s p 产品有定点和 浮点两大系列，这两种系列d s p 都已在工程实际中得到广泛应用，并逐渐成为电子产品 更新换代的决定因素。由于d s p 能够快速实现各种算法，因而大大提高了在工程应用中 的实时性，特别是在实现复杂算法时其优越性更加显著。在高精度、宽频谱的谐波检测 中，f f t 、n t 、w r 和n n 等算法的计算量都非常大，d s p 的高速运算特性显得非常可 贵。因此，d s p 在谐波检测领域得到广泛应用。但是，用d s p 实现谐波检测也有不足之 处。用d s p 实现傅立叶变换谐波测量具有计算量大、需花费计算时间较多的、延迟较长、 实时性不够高、会产生栅栏效应和频谱泄漏的缺点。 4 ) 可编程逻辑器件。早期的可编程逻辑器件由于结构的限制，实现谐波检测时域理 论算法较困难。随着大规模复杂可编程逻辑器件c p l d 和现场可编程门阵列f p g a 的出 现，在可编程逻辑器件上实现f f t 、w t 算法已经相当容易，因此在谐波检测中逐渐被 人们采用。随着f p g a 技术的不断发展，其内部资源日益丰富，成本日益降低，再加上 e d a 工具的迅速发展，特别是a l t e r a 公司推出的q u a r t u s l i 开发软件和n i o s l i 软核技术 使得利用f p g a 进行复杂的数字信号处理变得越来越容易。嵌入式实时操作系统在n i o s l i 中的移植技术已经相当成熟，这使得在n i o s l i 中实现多任务、多进程成为可能，这可以 大大提高系统的速度，基本满足实时性要求，已成为谐波处理的首选。 d s p 采用流水线式处理方式，具有很强的数字信号处理、算法实现功能和较强的控 制能力，但是时序控制能力较弱，d s p 主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解 调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度；f p g a 可实现并行处理，具有很 强的时序控制能力，但是数字信号处理及算法实现能力较弱，f p g a 可以用v h d l 或 v e r i l o gh d l 来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可 以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a 的优势，其现 场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。 电力系统谐波分析仪对实时性要求较高，而且要同时完成对六路信号的采样， f p g a 的并行处理能力显得非常有意义。因此，本设计采用f f t 算法作为谐波检测方法， 以f p g a 作为实现手段来进行电力系统谐波分析仪的设计。 4 电力系统谐波夯析仪的嵌入式实现 1 3 本文主要研究工作 1 查阅大量论文资料，分析了国内外谐波检测方法与谐波测量实现技术，确定采用 f p g a 为谐波测量实现方法，以f f t 算法为谐波检测方法，设计了整个谐波分析系统。 2 通过分析系统测量需求与电网谐波测量特点，设计了电网信号采集与预处理单元。 设计中选用t a l 9 e 0 2 作为电流互感器，采集电网中的电流信号，选择t v l 9 e 作为电压 互感器，采集电网电压信号。采用差分式放大电路作为信号调理电路，对互感器电路输 出信号进行调理，使之在幅度上符合a d 转换要求。为了解决采样过程中的频谱混叠问 题，设计了以m a x 2 9 3 作为核心器件低通滤波电路，来滤除信号中的高频分量。 3 分析了系统测量精度要求以及电力系统谐波分析特点。设计了a d 转换电路，采 用十六位六通道串行可编程的a d 7 3 3 6 0 作为a d 转换器。 4 完成了基于f p g a 的数字信号处理器的设计。在d e 2 开发平台( 核心器件为 e p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 6 ) 上，设计了a d 控制器完成了a d 转换器的配置以及a d 输出数据的预 处理；设计了采样数据的存储器以及存储器控制器；使用q u a r t u s h 中内嵌的s o p cb m l d e f 完成了对n i o s 的裁剪、配置，并在n i o s hi d e 集成开发环境中进行了软件设计。 5 在n i o s h 软核中用程序实现了f f r 快速傅里叶算法；给出了对f f t 运算所得序 列进行处理，己得到实际所需分析数据( 如谐波含有量、谐波含有率、基波功率、谐波 功率等) 的方法。 6 对设计的各部分电路进行了仿真实验、功能测试，并进行了实际测量。 7 总结设计过程中的经验与教训，并提出了展望。 2 相关知识介绍 2 1 可编程器件简介 数字电路的发展大致经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电 路到具有特定功能的专用集成电路a s i c ( , a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 几个阶 段。随着微电子技术的快速发展，出现了现场可编程逻辑器件( f i e l dp r o g r a m m a b l el o 咖 d e v i c e ) f p l d ，其中现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r m y ) 和复 杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 应用最为广泛【捧3 1 】。 1 可编程器件的发展。 可编程器件按集成度可分为，复杂p l d 和简单p l d 。最早的p l d 是熔丝编程的只 读存贮器p r o m ，由于结构的制约，只能完成简单的数字逻辑功能。后来，出现了结构 稍复杂的一类可编程芯片，就是可编程逻辑器件( p l d ) ，p l d 可以完成各种数字逻辑 功能。典型的p l d 由一个或门和一个与”门阵列组成，因为任何组合逻辑都可以描述 为“或与”表达式，所以p l d 能以完成大量的组合逻辑功能。这一时期的最早产品是可 编程逻辑阵列p l a ，它包含一个“与”平面和一个“或平面，但这两个平面的连接可通 过可编程实现。p l a 器件既有掩膜可编程的，也有现场可编程的，利用率虽然很高，但 运行速度却很慢慢，所以只可用于小规模逻辑。再后来可编程阵列逻辑p a l 出现了，p a l 由一个固定的“或”平面和一个可编程的“与平面构成，或门的输出能经由触发器有选 择地被置为寄存状态。可编程阵列逻辑是现场可编程的，它的实现工艺有e p r o m 技术、 反熔丝技术和e 2 p r o m 技术，但由于市场上结构和类型较多，反而给用户带来了使用和 修改的不方便，现在已经被淘汰。随后在p a l 的基础上发展出了一种通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i ca r m yl o g i c ) 。它采用e e p r o m 工艺，从根本上解决了熔丝型可编程器件的一 次可编程缺陷，实现了电可擦除、电可改写，它的输出结构是可编程的逻辑宏单元。由 于g a l 的设计非常灵活，所以至今仍被很多人使用。 早期的p l d 器件具有一个共同特点：可实现电可擦除和紫外线可擦除、可以实现速 度特性较好的逻辑功能。但由于片内寄存器资源不足、阵列规模较小、i 0 不够灵活及 编程不方便等缺点，现在己被复杂p l d 替代。复杂p l d 可分为现场可编程门阵列 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，它们都具有集成度高、逻辑单元和体系结构灵活以及适用 范围广的特点。这两种器件兼容了通用门阵列和简单p l d 的优点，能够实现较大规模的 电路，编程也非常灵活。与a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 相比，具有设计制造成本低、 设计开发周期短、标准产品无需测试、开发工具先进、质量稳定以及可在线实时检验等 6 电力系统谐波分析仪的嵌入式实现 优点，因此被广泛应用于产品生产( 一般在1 万件以下) 和产品的原型设计之中。比较 典型的有x i l i n x 公司的f p g a 系列( 如x c 4 0 0 0 ) 和a l t e m 公司的c p l d 系列( 如 m a x 7 0 0 ) ，这两家公司的产品开发比较早，已经占领绝大部分的p l d 市场，可以说x i l i n x 和a l t e r a 这两家公司共同决定了p l d 技术的发展方向。 c p l d 和f p g a 有三大组成部分：输入输出块；二维的逻辑块阵列，是p l d 器件 的逻辑组成核心；互连资源( 连接逻辑块的) 。连线资源是指由各种长度不一的连线线段 组成，也包含一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块与输入输出块之间、逻辑块之 间的连接。 随着超大规模集成电路v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ) 工艺的不断发展，一个芯片内 部就能容纳上百万个晶体管，c p l d f p g a 芯片的规模也变得越来越大，其单片含有的 逻辑门数现在已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，而且可以实现系统集成。 2 可编程器件的应用。 f p g a c p l d 产品是近几年集成电路中发展最快的。由于p l d 性能的高速发展以及 设计人员能力的提高，供应商将会进一步扩大可编程芯片的应用范围，将专用芯片推向 高端和超复杂应用。可编程逻辑器件仍然是集成电路中最具前途和活力的产业。c p l d 与f p g a 在性能、价格、封装( 包括e d a 软件性能) 和逻辑规模等方面各有所长，针 对不同的开发项目，开发人员应该作出最佳选择。 3 可编程器件的前景。 p l d 的发展趋势主要体现在以下几个方面t 一定时期内低密度p l d 还将存在；高 密度p l d 继续向更大容量、更高密度迈进；知识产权( ) 内核进一步发展。具体体 现在： 1 ) p l d 功耗进一步降低，p l d 的工作电压正在由5 v 向3 3 v 甚至2 5 v 低电压器件 演进。 2 ) p l d 和a s c i 出现相互融合。a s i c 芯片功能强大、尺寸小、耗电少，但设计复 杂，而且有批量要求；而p l d 比较便宜，可以现场编程，但是能力有限、体积大，功耗 也比a s i c 大。因此，f p g a 和a s i c 正相互融合，取长补短。 3 ) f p a g 和a s i c 之间的界限越来越变得模糊。系统级芯片不仅集成微处理器和 r a m ，也集成f p g a 。随着f p g a 的向上发展和a s i c 制造商向下发展，在f p g a 和 c p l d 之间正在诞生一种新的产品，以满足成本的降低和上市时间缩短的要求。 4 ) 价格不断降低。伴随着芯片生产工艺的不断改进，如深亚微米0 1 3 t m 工艺的成 熟，芯片连线的不断变细，芯片的集成度不断提高，大大降低了p l d 产品的价格。 5 ) 集成度持续提高。微细化新工艺的推出以及市场的需要使得芯片的集成度不断提 高。在新技术的推动下，许多公司的产品集成度迅速提高，最近几年的发展尤其迅速， 7 陕西科技大学硕上学位论文 其集成度已经高达1 0 0 0 万门，目前有的p l d 已经高达几百万甚至上千万系统门。 6 ) 向系统级发展。不断提高的集成度使得产品的性能不断的提高，功能不断增强。 现在的p l d 已经不像最早的p l d 那样仅仅能够实现一些简单的逻辑功能，已经逐渐把 存储器、d s p 、m c u 及用户接v i 等集成到p l d 中，这大大增强了p l d 的功能。未来的 一块电路版可能只包含两部分电路：一块p l d 芯片和模拟部分，至多还包括一些大容量 的存储器。 2 2 硬件描述语言简介 针对f p g a 的系统设计常用的硬件描述语言有a h d l 、v h d l 和v e r i l o gh d l 三种。 电力系统谐波分析仪的嵌入式实现 同是硬件描述语言，v e r i l o gh d l 和v h d l 有共同之处：都可以形式化地抽象表示 电路的行为和结构，都支持逻辑设计中层次与范围的描述，可借鉴高级语言的结构来简 化电路的行为描述，都有电路仿真与验证机制，以确保设计的正确性，都支持电路描述 由高层到低层的综合转换，硬件描述与实现工艺没有关系，便于文档管理，容易理解， 易于设计重用。 但是这两种语言又有不同之处：v e r i l o gh d l 拥有更广泛的设计群体和更加丰富设计 资源；v e r i l o gh d l 的语法结构与c 语言很接近，更容易掌握；v e r i l o gh d l 在系统级抽 象方面略逊于v h d l 语言，而在门级描述方面比v h d l 强得多；v e r i l o gh d l 更适合于 系统级、门级、算法级、电路开关级、逻辑级、寄存器传输级设计，而v h d l 更适合于 特大型系统设计。 在具体设计时，可根据设计的需要灵活运用这两种语言，充分发挥各自的优点与长 处，取长补短，会给设计带来很多好处。 2 3q u a r t u s i i 开发工具简介 a l t e mq u a r t u si i 设计软件提供完整的多平台设计环境，能够直接满足特定设计需 要，为可编程芯片系统( s o p c ) 提供全面的设计环境。q u a r t u si i 软件含有f p g a 和c p l d 设计所有阶段的解决方案1 ：7 1 。 q u a r t u si i 具有完全集成且与电路结构无关的开发包环境，功能强大的逻辑综合工 具，完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具，能进行时序分析与关键路径延时分析。 其内部嵌有v e r i l o gh d l 、a h d l 和v h d l 等的逻辑综合器，另外还具有编译器和下载 功能，并可利用第三方仿真工具m o d e l s i m 进行仿真，利用综合工具s y n p l i f y 进行综合， 来完成数字电路系统设计。其内部还有嵌入式的s i g n a l t a pi i 逻辑分析工具，可用来进行 系统的逻辑测试和分析。 q u a r t u si i 软件有以下具体功能： ( 1 ) n a t i v e l i n k 集成e d a 仿真工具 ( 2 ) 生成输出网表文件 ( 3 ) 在e d a 仿真工具中设计仿真 ( 4 ) 有功能与时序仿真库 ( 5 ) p o w e r g a u g e t m 功耗估计 ( 6 ) 生成测试台模板和内存初始化文件 ( 7 ) 可以对设计进行时序分析 q u a r t u si i 设计流程：q u a r t u si i 设计流程如图2 - 1 所示。 9 陕两科技大学硕士学位论文 图2 - 1q u a r t u s l i 设计流程 f i g 2 - 1d e s i g nf l o wo f q u a r t u s l i 2 4n i o s h 嵌入式处理器简介 n i o s 处理器是3 2 位的精简指令集软核c p u ，它是a l t e r a 公司