（电力系统及其自动化专业论文）基于解析模型的变电站培训仿真系统.pdf

a b s t r a c t t h er u n n i n gc o n d i t i o no fs u b s t a t i o na f f e c t ss e c u r i t ya n ds u p p l yq u a l i t yo ft h e p o w e rs y s t e m i no r d e rt oe n s u r ep o w e rs y s t e r mt or u ns a f e l ya n dr e a s o n a b l y , i t s n e c e s s a r yf o r s u b s t a t i o no p e r a t i o ns t a f ft ob et r a i n e di nt h es u b s t a t i o nt r a i n i n g s i m u l a t o r b e c a u s eo ft h es t r o n gs e n s eo f r e a l i t ya n dt h eg o o dt m i n i n ge f f e c t ，r e a l i s t i c s u b s t a t i o nt r a i n i n gs i m u l a t o rh a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e db ye l e c t r i c i t ys e c t o r s t h em a t t e rh a sb e e nc o n c e m e df o rl o n gt i m et h a th o wt op r o v i d et h ef i r s t g r a d e s i g n a l sf o rr e a l i s t i ce q u i p m e n t si nt h et r u es e c o n d g r a d ee q u i p m e n t ss u b s t a t i o n t m i n i n gs i m u l a t o r i no r d e rt or e d u c et h ec o s to ft h ef i r s t - g r a d es i g n a lp r o d u c e r , t h e p a p e rd e s i g n sas i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nt h ea n a l y t i c a l m o d e l - - - t h ea n a l y s i s n u m e r i cc o n v e r t e r ( a nc o n v e r t e r ) t h ea nc o n v e r t e ru s e sf p g ac h i pa n dd ac o n v e r t e rc h i pt ob u i l dt h e r e a l t i m ed i g i ts e q u e n c es i g n a lc i r c u i tb yf o l l o w i n ga n a l y t i c a lm o d e l s t h et r a n s i e n t c o m p o n e n ti sr e g a r d e da st h et i m el i m i t e de x p o n e n t i a ld e c a yf u n c t i o n t h ed e s i g n c o n t r o l st h el e n g t ho ft r a n s i e n tc o m p o n e n tt oc h a n g et h et i m ec o n s t a n ta n du s e st h e f r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e st og e n e r a t et h et r a n s i e n tc o m p o n e n ts i g n a l i no r d e r t h a tt h es i g n a lg e n e r a t e db ya nc o n v e r t e rb e i n gf u l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ea n a l y t i c a l m o d e l ，t h ed e s i g nc o m b i n e st h es t a r ts i g n a la n dt h eb a s e l i n et e s t i n gt i m et op r e c i s e l y c o n t r o lt h et i m eo ff i r s t - g r a d es y s t e mf a u l ta n dt h et i m eo fc i r c u i tb r e a k e ra c t i o n t oe n s u r et h a ta nc o n v e r t e r so u t p u ts i g n a lc a l lr e a l - t i m l yr e f l e c tt h eo p e r a t i o n o ft h ef i r s t g r a d es y s t e m ，t h ed e s i g nu s e sh i g h s p e e de t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n st o c o n n e c tt h ea nc o n v e r t e ra n dt h ef i r s t - g r a d es y s t e ma n a l y t i c a lm o d e l s t h er e s u l t s f u l l yc o r r e s p o n dw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n si nt h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e t e s t k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ；t r a i n i n gs i m u l a t o r ；f p g a ；s i g n a lg e n e r a t o r ；s t e a d y c o m p o n e n tt r a n s f o r m a t i o n ；t r a n s i e n tc o m p o n e n tt r a n s f o r m a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缴菇 签字日期： 上。p 矿年 月辟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 凝式。 签字日期：2 归? 年占月4 日 - 导师签名：老缅之 签字日期：l 。7 年月j - j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 对变电站人员培训的重要性 电力系统的安全运行关系到工农业生产、人民生活的各个方面，同时电力系 统作为人工制造系统需要人工参与和决策，因此运行人员需要培训以增强其对系 统的了解，提高运行操作和事故处理的技能。变电站是电力系统的关键部分之一， 变电站的安全运行是电网安全供电的关键环节，误操作、事故处理的延误或者扩 大都是影响变电站安全运行的重要问题。变电站运行的可靠性既取决于变电站 一、二次设备的技术水平，又取决于变电运行人员和维护人员的技术水平。可以 说，运行与维护人员的岗位操作技能是影响变电运行安全可靠性的重要因素之 一。因此，提高运行值班人员和维护人员素质是搞好变电站安全运行的基础，加 强对他们的技术培训是极其必要的【l j 。 如今，随着新一代电力系统装置的投入使用，自动化程度的提高，对电力系 统中运行人员和维护人员素质的要求也越来越高，对他们的培训迫在眉睫。变电 站仿真作为一门利用模型进行试验、研究和培训的技术，具有可控、安全、经济、 节约时间、允许多次重复的特点，已经被电力管理部门普遍认可。变电站培训仿 真系统能够营造与实际变电站主控室相似的环境，可以对变电站值班和维护人员 进行操作、事故处理等方面的培训，提高运行人员和维护人员的技术水平，快速 有效的提高其技能水平。变电站仿真培训系统作为电力系统仿真培训的重要分支 和方向之一，正在得到越来越多的应用和发展。 实验证明建立变电站仿真系统是一种教育投资，利用仿真系统对增强变电站 值班员与维护人员的运行技术、维修水平及提高电力系统安全运行水平起到了良 好的作用1 2 - s l 。 1 2 变电站仿真培训系统的现状 目前，变电站培训仿真系统大致有两种主要类型：实物性仿真和虚拟性仿真。 ( 1 ) 实物性仿真培训系统就是专门建造真实的变电站设备，如制作实际变 电站1 ：l 的开关控制屏和保护屏硬件，组成变电站仿真培训系统的主控室和保护 室，主要由后台计算机支持这些硬件的操作和显示。屏柜上的开关量和模拟量( 操 第一章绪论 作开关把手、投退压板、小开关、保险和按钮等) 的变化，通过数据采集卡，送 到总线，最后送给后台计算机，后台计算机上的仿真模型实时计算，将计算结果 通过总线和数据转换卡，刷新屏柜上的模拟量( 表计指示) 和开关量( 光字牌、信 号灯等) 。后台计算机采用多台工作站或微机，它们组成网络，并按功能分为： 工程师台，用于仿真模型的修改和系统维护、调试：教员台，用于设置培训任务、 控制和管理培训过程：图形台，用图形界面的方式仿真没有硬件的设备，如主接 线图、室外主设备的多媒体界面等：仿真模型计算台，接收硬件屏柜上和图形台 界面上的操作数据，仿真模型进行实时计算，计算结果送到屏柜和图形台界面上。 在实际仿真系统中，可根据需要将上述功能合并或分解，配置给后台机。为处理 后台机与硬件屏柜间的数据输入和输出，一般还要根据硬件的规模配置一台或几 台前置机。但实物性培训仿真系统中所有现象仍是在计算机的控制之下产生的。 ( 2 ) 虚拟性仿真培训系统则完全通过计算机软件来模拟变电站的主控室环 境，受训人员在计算机上实施模拟操作。变电站内的所有开关控制屏、保护屏、 模拟屏、室外和室内的主设备及主接线等全都用软件仿真，除计算机外没有任何 硬件。虚拟性仿真系统也是一个由多台工作站或微机组成的网络，根据每台计算 机上配置的软件资源不同，可构成以下模式的仿真系统：分布式，即图形界面软 件可按主控室、保护室和室内外电气设备等的划分，分布在一台或几台计算机上， 其他仿真模型、教员管理、工程维护也可分布在台或几台计算机上。一般图形 界面软件分布在1 台到2 台计算机上，作为一组学员台，这样可配置多组学员台， 同时对多个学员培训。但学员台的数量受仿真模型计算台的响应速度限制，一般 只能配置3 个n 4 个。网络教室模式，即仿真培训系统由一个教员台和多个学员台 组成，学员台个数可达2 0 个n 3 0 个，不受仿真模型计算速度的限制。这时，图形 界面软件和仿真模型计算软件必须放在同一台计算机上，这样每个学员台都有自 己的界面和仿真计算软件，相对独立，而教员台的设置功能，也可放在学员台上， 使培训学员的方式更灵活，学员既可以自学，也可在教员指导下学习，达到同时 培训不同层次学员的目的p 2 2 | 。 1 3 本文研究的目标和内容 软件仿真变电站的一次系统和二次系统，虽然具有很高的可维护性，但其缺 点是受训人员只了解监控界面的操作，其培训效果与实际应用联系不紧密，受培 训人员培训效果不明显，技能提升速度慢，并且受训人员对真实的二次系统( 测 控、保护) 无法认识和了解。 原有的实物型变电站培训仿真系统虽然真实度高，培训效果与实际应用联系 第一章绪论 紧密。但是，这些仿真设备与实际设备有所差异，受培训人员通过这些仿真设备 不能了解变电站的二次系统原理和接线方式。因此原有的实物型变电站培训仿真 系统主要是培训运行人员的操作能力和运行能力，而面向维护人员的训练和维护 的培训系统却迟迟没有诞生。二次系统的人为错误或设备故障将直接影响一次系 统的安全稳定运行。因此，对变电站的维护人员与运行人员技术的综合性和他们 对变电站认知的系统性方面提出了更高的要求。所以当前需要新型的变电站培训 系统 2 3 - 2 8 】。 随着计算机技术与电子技术的不断提高，新型的实物型变电站培训仿真系统 已经可以完成驱动真实的二次系统设备。在新型的实物型变电站培训仿真系统 中，使用真实的变电站二次系统设备，同时培训变电站运行人员和维护人员，真 实感强、培训效果显著，使其了解到变电站的二次设备的原理和接线方式。并且 它具有真实二次系统设备组建灵活的优点，得到电力部门的广泛认可【2 9 弓2 1 。 本文研究的新型的实物型变电站培训仿真系统如图卜1 。在这个系统中，变 电站的一次系统全部由数字模拟，二次系统设备使用真实的物理设备。一次系统 通过仿真软件解析计算出各种数字量，再通过解析数值转换器、功率放大等硬 件实时输出模拟量，生成类似c t 、p t - - 次侧的电压电流值，与真实的二次设备对 接，解决原仿真培训系统对真实设备改造所带来的问题。 卜次系统 卜 _ 功 l i 、 a解析数值 卜 室 y次 解析表达 - - 7 转换器 放 卅 系 大 统 n 图1 - 1 实物型变电站培训仿真系统图 解决数字模拟的一次系统与真实的二次系统之间的连接问题，需要一个解析 数值转换器( a n a l y t i c n u m e r i cc o n v e r t e r ) e i p a n 变换器。如图1 - 2 ，仿真系 统中一次系统的数字仿真信号被a n 变换器接收，生成实时的交流电压、电流信 号，再经过功率放大，供真实的二次系统工作使用。 第一章绪论 次 系 统 攀隳 次 系 统 一：控制信号：以太网通信- ：二次系统设备动作信号 桫：模拟信号仁 ：数据，地址总线 图1 2 仿真系统结构图 在设计使用真实的二次系统的实物型变电站培训仿真系统中，关键问题是设 计a n 变换器，使解析所得的一次系统的数字量生成模拟量，即生成真实的电压 或电流，供给真实的二次系统设备使用。由a r m 控制器接收上位机解析所得的特 征值数据，并使用f p g a 芯片设计制作a n 变换器，通过稳态分量变换和暂态分量 变换的方式将特征值数据生成离散的数字系列，给入d a 转换器转换成模拟信号， 给入二次系统的设备中。所设计的a n 变换器需要能够并行的处理特征值数据， 且a n 变换器中，各并行处理系统需要同步、独立可控的完成离散的数字系列的 生成。 一 一圉 第二章f p g a 及其开发 第二章f p g a 及其开发 f p g a 是英文f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在p a l ( 可编程阵列逻辑) 、g a l ( 通用阵列逻辑) 、c p l d ( 复杂可编程逻辑 器件) 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为a s i c ( 专用集成电路) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可 编程器件门电路数有限的缺点。在这一章中，将简介可编程逻辑器件的发展过程 和f p g a 的结构、特点、编程语言与开发软件【3 3 - 3 4 。 2 1 可编程逻辑器件 早期的可编程逻辑器件只有p r o m ( 可编程只读存贮器) 、e p r o m ( 紫外线可按 除只读存贮器) 和e e p r o m ( 电可擦除只读存贮器) 三种。由于结构的限制，它们只 能完成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，耳p p l d ( 可编程逻辑器件) ，它 能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与门和一个“或”门阵列组 成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或 表达式来描述，所以，p l d 能以乘 积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。p a l 由 一个可编程的“与 平面和一个固定的“或 平面构成，或门的输出可以通过触 发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔 丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列 逻辑g a l ，它采用了e e p r o m 工艺，实现了电可按除、电可改写，其输出结构是 可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。 早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于 简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期，a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了 c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 和与f p g a ( 现场可编程门阵列) ，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成 度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的优点，可实 现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它a s i c 相比，它们又具有设 第二章f p g a 及其开发 计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定 以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和小批量产品生 产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数 字集成电路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件 3 s - 3 6 j 。 2 2f p 6 a 的结构与特点 p l d 是由三大部分组成的，在图2 - 1 所出，包括：( 1 ) 一个二维的逻辑块阵 列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心；( 2 ) 输入输出块；( 3 ) 连接逻辑块的 互连资源，由各种长度的连线线段组成，其中也有些可编程的连接开关，它们 用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。 i ，oc 留矗l l 尘 图2 - lp l d 结构图 采用查找表结构的p l d 芯片即可称之为f p g a 。 查找表简称为l u t ，l u t 本质上就是一个r a i d 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ， 所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 1 的l 。当用户通过原理图或 h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可 能的结果，并把结果事先写入r a m ，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输 入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。 f p g a 芯片内部结构如图2 2 所示，主要包括l a b ，i o 块，r a m 块和可编程行 列连线。在f p g a 中，一个l a b 包括8 个逻辑单元，每个逻辑单元结构包括一个l u t ， 一个触发器和相关的相关逻辑。逻辑单元是f p g a 芯片实现逻辑的最基本结构。 第二章f p g a 及其开发 图2 2f p 吼芯片内部结构图 作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路，f p g a 既解决了定制电 路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。设计f p g a 的过程中， 工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由地设计一个数字系 统，也可使用如d s pb u i l d e r 等开发软件来设计。再通过软件仿真，可以事先验 证设计的正确性。在p c b 完成以后，还可以利用f p g a 的在线修改能力，随时修改 设计而不必改动硬件电路。使用f p g a 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间， 减少p c b 面积，提高系统的可靠性。f p g a 的基本特点主要有： 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片： 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片： 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚： 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之 ， 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需 要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进 入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够 反复使用。f p g a 的编程无须专用的f p g a 编程器，只须用通用的e p r o m 、p r o m 编 程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样，同一片f p g a ， 不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵涮”刁引。 第二章f p g a 及其开发 2 3v h d l 开发语言 v h d l 语言的英文全名是v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，即超高速集成电路硬件描述语言，是一种用于设计硬件 电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路 结合和连接形式。与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。v h d l 最早是由美国政府和军方提出的，旨在建立一个电子电路设计自动化过程中描述 设计文档，并且能够作为工业标准的硬件描述语言。 ( 1 ) v h d l 设计方法的优点 语言标准、规范、描述能力强。从系统的数学模型到门级电路都可以用v h d l 语言描述。 可读性好，易于共享和复用。设计者的原始描述是非常简练的硬件描述，既 容易被人读懂，又能被e d a ( 电子设计自动化) 工具识别，并进行综合处理，最终 生成付诸生产的电路描述或版面参数描述的工艺文件。 支持数字电路的开发环境，设计技术齐全、方法灵活。v h d l 语言支持自项 向下、自底向上和基于库的设计方法，而且还支持同步电路、异步电路、f p g a 以 及其它随机电路的设计。 可以与工艺无关编程。在用v h d l 语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺有 关的信息。当今许多电子产品的生命期大约1 0 年，同时又必须多次重新设计， 以利用新的技术。其最简单的方法是用与工艺无关的v h d l 设计方法，即使用自 动工具来改变工艺。与大多数h d l 语言不同，用d l 语言设计硬件时，当门级 或门级以上层次的描述通过仿真检验以后，再用相应的工具将设计映射成不同的 工艺。这样，在工艺更新时，就无须修改原设计程序，只要改变相应的映射工具 就行了。 支持层次化( 框图) 、出错处理和验证。层次化可以利用结构v h d l 过程和函 数描述。结构v h d l 类似于框图。许多系统支持图形输入，并可以自动转换为结 构v i - i d l 。v i - d l 语言支持并行的和顺序的语言结构。它还支持从功能到门级的所 有各级描。v h d l 的代码可以用仿真器验证其功能。仿真器施加输入信号进行模 拟并以元件为基础产生信号图和出错信息。输入信号的描述可以用v h d l ，也可 以在波形编辑器中定义波形。当对v h d l 代码进行模拟时，就实现了功能验证。 其后可以再对设计作时序验证，给出电路的信号延迟信息。 ( 2 ) v h d l 程序基本结构 个v h d l 程序包含实体、结构体、 实体是一个v h d l 程序的基本单元， 配置、包集合和库5 个部分。 简单的可以是一个与门复杂点的可以是 第二章f p g a 及其开发 一个系统。但是，不管是简单的数字电路，还是复杂的数字电路，其基本构成是 一致的。都由实体说明和结构体两部分组成。在层次化系统设计中，实体说明用 于描述设计系统的外部接口信号；结构体用于描述系统的行为、系统数据的流程 或者系统组织结构形式。 结构体是一个基本设计单元的实体，具体指明了该设计单元的行为、元件及 内部的连接关系，也就是说它定义了设计单元具体的功能。结构体对其基本设计 单元的输入输出关系可以用3 种方式描述，印行为描述( 基本设计单元的数学模 型描述) 、寄存器传输描述( 数据流描述) 和结构描述( 逻辑元件连接描述) 。不同 的描述方式，其描述语句不同；而结构体的结构是完全一样的。 一个电路系统的程序设计只有一个实体，但可以有多个结构体。系统设计中 的实体提供设计系统的公共信息，结构体定义了各个模块内的操作特性。一个设 计实体至少包含一个结构体，构成一个电子系统的设计模型。 配置用于从库中选取所需单元来组成系统设计的不同规格的不同版本，使被 设计系统的功能发生变化。配置语句描述层与层之间的连接关系以及实体与结构 之间的连接关系。在仿真每一个实体时，可以利用配置来选择不同的结构体，进 行性能对比试验以得到性能最佳的结构体。总而言之，配置更多的用于模拟现象， 而较少用于设计硬件。 包集合单纯地用来罗列v h d l 语言中所要用到的信号定义、常数定义、数据 类型、元件语句、函数定义和过程定义等，它是一个可编译的设计单元。包集合 的主要任务是共享相同的单元。设计实体共享所特有的数据时，包集合是公共存 储区。在包集合内说明的数据，允许其他的实体所引用，因此，这些数据是可共 享的，也就是对其他设计项目“可见”。 库是经编译后的数据的集合，它存放包集合定义、实体定义、构造体定义和 配置定义。库的功能类似于操作系统中的目录，库中存放设计的数据。在v h d l 语言中，库的说明总是放在设计单元的最前面，这样，在设计单元内的语句就可 以使用库中的数据。由此可见，库的好处就在于使设计者可以共享已经编译过的 设计结果。在v h d l 语言中可以存在多个不同的库，但是库和库之间是独立的， 不能相互嵌套 3 9 - 4 0 j 。 2 4o u a r t u si i 开发工具 q u a r t u sl i 是a l t e r a 公司的综合性p l d 开发软件，支持原理图、v h d l 、 v e r i l o g h d l ( v e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 以及a h d l ( a l t e r a 第二章f p g a 及其开发 h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以 及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整p l d 设计流程。 q u a r t u si i 可以在x p 、l i n u x 以及u n i x 上使用，具有运行速度快，界面统 ，功能集中，易学易用等特点。 q u a r t u si i 包含大量宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化 了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方e d at 具的良好支持也使用户可以 在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三放e d a 工具。 此外，q u a r t u si i 通过和d s pb u ii d e r 工具与m a t l a b s i m u li n k 相结合，可 以方便地实现各种数据处理的应用系统；支持a l t e r a 的片上s o p c ( 可编程系统) 开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性 的开发平台。 q u a r t u sh 作为一种可编程逻辑的设计环境，由于其强大的设计能力和直 观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。 a l t e r a 的q u a r t u si i 可编程逻辑软件属于第四代p l d 开发平台。该平台支 持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于i n t e r n e t 的协作设计。 q u a r t u si i 平台与c a d e n c e 、e x e m p l a r l o g i c 、m e n t o r g r a p h i c s 、s y n o p s y s 和 s y n p l i c i t y 等e d a 供应商的开发工具相兼容。 q u a r t u si i 设计软件提供完整的多平台设计环境，它可以轻易满足特定设计 的需要。它是s o p c 设计的综合性环境。o u a r t u s 软件拥有f p g a 和c p l d 设计， 的所有阶段的解决方案。 d s pb u i l d e r 是a l t e r a 推出的一个数字信号处理开发工具，它在q u a r t u si i f p g a 设计环境中集成了m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 和s i m u l i n k 的数字处理开发 软件。a l t e r a 的数字信号处理系统体系解决方案是一项具有开创性的解决方案， 它将f p g a 的应用领域从多通道高性能信号处理扩展到很广泛的基于主流数字信 号处理的应用，是a l t e r a 第一款基于c 代码的可编程逻辑设计流程。 为了优化数字信号处理算法的实现，设计者可以使用由m a t l a b 和s i m u l i n k 工具开发的专用数字信号处理指令。这些专用指令通过a l t e r a 的d s pb u i l d e r 和s o p cb u i l d e r 工具集成到可重配置的数字信号处理设计中。对数字信号处理 设计者而言，与以往f p g a 厂商所需的传统的基于硬件描述语言( h d l ) 的设计相 比，这种流程会更快、更容易。 f p g a 设计者可以使用d s pb u i l d e r 和q u a r t u si i 软件单独进行硬件设计。 d s pb u i i d e r 提供了一个无缝链接的设计流程，允许设计者在m a t l a b 软件中完 成算法设计，在s i m u l i n k 软件中完成系统集成，然后通过s i g n a l c o m p i l e r 模块 生成在q u a r t u si i 软件中可以使用的硬件描述语言文件。使用d s pb u i l d e r 工 第二章f p g a 及其开发 具，设计者可以生成r t l ( 寄存器传输级) 设计，并且在s i m u l i n k 中自动生成r t l 测试文件。这些文件是已经被优化的预验证r t l 输出文件，可以直接用于a l t e r a q u a r t u si i 软件中进行时序仿真比较。这种开发流程对于没有丰富可编程逻辑设 计软件开发经验的设计者来说非常直观、易学。 d s pb u i l d e r 具备一个友好的开发环境，它可以通过帮助设计师创建一个数 字信号处理设计的硬件表示来缩短数字信号处理开发的周期。现有的m a t l a b 功 能和s i m u l i n k 块与a l t e r a 的d s pb u i l d e r 块和a l t e r a 的知识产权m e g a c o r e 功 能块组合在一起，从而把系统级的设计和数字信号处理算法的实现连接在一起。 d s pb u i l d e r 允许系统、算法和硬件设计共享一个通用的开发平台。 在d s pb u i l d e r 中，如图2 - 4 所示设计的流程为：设计者使用d s pb u i l d e r 中的块在s i m u l i n k 中创建一个系统模型，并在s i m u l i n k 中对系统模型进行模型 仿真。之后，d s pb u i i d e r 的s i g n a l c o m p i l e r 块读入s i m u l i n k 模型文件( m d l 格式) ，该模型文件是用d s pb u i l d e r 的块生成的，然后生成v h d l 文件和t c l ( 工 具命令语言) 脚本文件，用于综合以及在m o d e l s i m 仿真软件中仿真，最后生成编 程文件( p o f 或s o l 格式) 下载到硬件中1 4 1 1 。 图2 3d s pb u i l d e r 软件设计流程图 第三章a n 变换器的硬件设计 第三章a n 变换器的硬件设计 3 1a n 变换器的硬件系统结构 由于全定制的正弦波发生器芯片不适合用来设计a n 变换器，所以采用f p g a 完成a n 变换器系统的核心设计。a n 变换器系统如图3 - 1 所示，包括：a r m 控 制器、f p g a 最小系统、d a 转换器和功率放大器。 1 r 塞 输 放 蹴 出 大 器 一：控制信号- 4 - ：以太网通信卜：二次系统设备动作信号 锄貔：模拟信号仁 ：数据地址总线 图3 - la n 变换器系统结构图 ( 1 ) a r m 控制器：通过i n t e r n e t 网从上位机接收信号或数据，并将1 6 b i t 数 据并行发送给f p g a ，并同时给f p g a 最小系统供电。 ( 2 ) f p g a 最小系统：核心部分，接收a r m 传输的数据，实时8 路系统并行处 理，生成8 路独立的模仿电力系统的任意波形，输出1 2 b i t 数据并控制d a 转换 器。 ( 3 ) d a 转换器：选取1 2 b i t 的d a 转换器，为a d 公司的a d 5 3 4 8 。接收f p g a 生产的数据，实时生成8 路叽5 v 变化的电压，模仿电力系统中电流正常时或短 路时的变化。 ( 4 ) 功率放大器：将o 5 v 的电压变成与实际c t 、p t 相同的电压电流信号， 并且接到保护装置上。 圈圈 第三章a n 变换器的硬件设计 3 2 基于e p lc 3 t 14 4 c 8 的f p g a 最小系统 f p g a 最小系统是整个a n 变换器的核心部分，f p g a 最小系统接收a r m 传输 的数据，产生所需信号的数据序列。f p g a 最小系统包括：e p l c 3 t 1 4 4 c 8 芯片、串 行配置器件e p c s l 芯片、a s 下载配置、j t a 6 下载配置、2 0 m t l z 晶振、电源转换 电路。 3 2 1e p lc 3 t 14 4 c 8 芯片结构特点 c y c l o n e 器件系列是a l t e r a 公司推出的一款低价格、中等密度的新型结构 f p g a ( 现场可编程门阵列) 产品。器件从设计上降低成本，是专门为希望在a s i c 价格水平上采用f p g a 重编程能力的设计者提供的。c y c l o n e 器件具有其他低价 f p g a 没有的逻辑资源和功能，其配置的功能组很容易集成一些复杂的系统级功 能，e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片是c y c l o n e 器件系列最小、最廉价的一款。 1 e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片容量和存储 e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片包括2 9 1 0 个逻辑单元( l e ) 的产品。器件采用0 1 3 u r n 、全铜 s r a m 工艺，1 5 v 内核，i o 电压可编程为1 5 v ，1 8 v ，2 5 v 和3 3 v 几个等级。它 还嵌入了m 4 k 包含1 3 个r a m 块，每个r a m 块大小为5 8 k b i t s 。r a m 块的数据传输速率超 过2 0 0 m h z 。每个r a m 块支持多种配置，包括专门的真双口、简单双口和单口r a m 。 为了增加灵活性，每个模组的输入和输出端口可以配置成不同的宽度并支持独立 的时钟。 2 i o 标准和存储器接口 e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片支持大量的片外数据传输的单端i 0 标准，包括l v t t l ， l v c m o s ，p c i ，s s t l - 2 ，s s t l 一3 和p c i 。为满足设计者更快数据速率和信号传输能 力的需要，e p l c 3 t 1 4 4 c 8 芯片还设有高达3 1 1 m b p s 的低压差分信号( l v d s ) 兼容通 道。由于采用了特殊的三级布线结构，其裸片尺寸大大降低。外部存储器接口方 案包括：单数据率r a m 接口、双数据率r a m 接口、快速循环存储器接口的速度优化 的专用电路，在1 3 3 m h z 时钟下数据率可高达2 6 6 m b p s 。 3 全局时钟网和p l l e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片具有一个全局时钟网和一个p l l ，它们横跨整个器件。全局 时钟网由8 个全局时钟组成，它可以为整个器件( 例如i o e ，l e 和存储器模块) 提供 时钟信号，也可以作为控制信号。p l l 有三个输出抽头，为完整的系统时钟管理 提供了频率综合和相位偏移功能。 4 e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片的配置方式 e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片的配置数据存储在s r a m 单元中，由于s r a m 的易失性，因此 第三章a n 变换器的硬件设计 这些数据必须保存在f p g a 器件以外的e p r o m ，e e p r o m 或f l a s hr o m 等非易失存储器 内，在每次上电时将配置数据重新载入到器件的s r a m 单元中。对于e p l c 3 t 1 4 4 c 8 芯片，目前实现加载的方法有以下3 种：主动串行( a s ) 模式：被动串行( p s ) 模 式；通过j t a g i = l 直接一次性实现编程数据加载。主动配置方式由e p l c 3 t 1 4 4 c 8 芯片引导配置操作过程，并提供下载同步时钟：而被动配置是由配置器件、微处 理器或者p c 机控制配置过程，下载同步时钟也由外部时钟源或者外部控制信号提 供：j t a g 方式是采用p c 机接口通过下载电缆将配置数据移入e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片，通 过j t a g 方式e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片s r a i 的易失性使数据无法永久保存通过驱动 e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片的m s e l l 和m s e l o 来选择配置方案，如果只使用一种配置方案时， m s e l l 和m s e l o 必须接到电源或者地，如果采用多种配置方案，在f p g a 配置完了之 后需要将m s e l 脚进行切换。如果采用a s 和j t a g 两种方式进行配置时，m s e l i 和 m s e l o 同时接地：如果采用p s 和j t a g 两种方式进行配置，m s e l i 和m s e l o 同时接电 源。 由于e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片不总连接在计算机并有人控制计算机引导配置数据进 入e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片。所以，大多数情况下必须由e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片自身引导配置 操作过程，这时e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片将主动从外围存储芯片中获得配置数据，所以 必须有a s 配置方式。a lt e r a 公司为了适应这一需求，专门为e p l c 3 t 1 4 4 c 8 芯片提 供了一系列低价串行配置器件( e p c s i ) ，e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片和串行配置器件结合 起来提供了低成本的可编程s o p c 解决方案。同时为了使用s i g n a l t a p l l 系统调试 工具，所以必须再增加j t a g 方式。因此，一般需要同时采用a s 和j t a g 两种方式对 e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片进行配置，在p c b 板上要使用两个1 0 针下载电缆的插头。一个插 头用于通过a s 编程接口编程串行配置器件，另一个用于通过j t a g 接口直接配置 e p l c 3 t 1 4 4 c 8 芯片【4 2 】。 3 2 2 最小系统电路 ( 1 ) f p g a 芯片a s 下载配置方式的设计 串行配置器件提供了一个串行接口引脚，在配置过程中，e p i c 3 t 1 4 4 c 8 芯片 通过这个串行接口引脚来读配置数据，然后配置自己的s r a m 单元。由于整个过程 是由f p g a 来控制的，所以这种方式叫做主动配置方式( a s 配置方式) 。串行配置