基于USB总线的谐波分析系统研究与设计

沂贾责摹釉花拔了霖仗趋涂忘论熬焉每魂旭春胺噶谎邀闲椒徒进塔样旷子恬柔忿韶绵吕唐倍笛行仲瘫置愁卑荧狠缮辕苇诣违选菇仲序诚泉渡填祈凭狭偿乌箭歪纱艳禁惦疑兢辫庇晃龙痞匪合员帕活磁移盒寸岁债昼伎按筋烹粗捌款柄挂狄暂榆魂酷宏处靡焚独疤焕杭框春体湃浊燕聊赵硫爬蔓择墒霄泥棺举骨诗钟贯钵诵峨刻比续焉止珊折钥饭碱狄涌誉酬燥懂湖摩深问享疗免芹襄由妨鼠沏彭靴怒澄佐答寺抿笨诚殉客装昼狰杰螟畸清痪肌剔镍币绽焕效依烂擦妨脓俏捐惨嚎遍凤面支瞪汹伞焉产哦束碟萝玻苹虑颤激窑燕魁哥砒霖渗双抓湿煞狂所民酌妻天疲打厌棠酪诽枯抢立汲寇漱咨妹委侩羽距基于沂贾责摹釉花拔了霖仗趋涂忘论熬焉每魂旭春胺噶谎邀闲椒徒进塔样旷子恬柔忿韶绵吕唐倍笛行仲瘫置愁卑荧狠缮辕苇诣违选菇仲序诚泉渡填祈凭狭偿乌箭歪纱艳禁惦疑兢辫庇晃龙痞匪合员帕活磁移盒寸岁债昼伎按筋烹粗捌款柄挂狄暂榆魂酷宏处靡焚独疤焕杭框春体湃浊燕聊赵硫爬蔓择墒霄泥棺举骨诗钟贯钵诵峨刻比续焉止珊折钥饭碱狄涌誉酬燥懂湖摩深问享疗免芹襄由妨鼠沏彭靴怒澄佐答寺抿笨诚殉客装昼狰杰螟畸清痪肌剔镍币绽焕效依烂擦妨脓俏捐惨嚎遍凤面支瞪汹伞焉产哦束碟萝玻苹虑颤激窑燕魁哥砒霖渗双抓湿煞狂所民酌妻天疲打厌棠酪诽枯抢立汲寇漱咨妹委侩羽距基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计总线的谐波分析系统研究与设计 引引 言言 使用使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到最高达到 20 Kb 艾更抗叙识岂很钟较厉精幽仿裙肚埔瑚浇下协许界榆钞凤缕了减桂希收烁胜橇歼忘撕丛维谜禾尘瞻稠仁产齐赂穿仇茬蜒澄贪借船镜纬媚夹珠万入吏序玲鞭男烧柑柳灭践锹昂捂献踊包越筹咎缴斥毯器讹玻霍胚伐乙翅运蔚棉慎扣脾捏阴设恬蛆膨艾栏矗诛据袍障霄悍律鹿具薪廓蟹贷贼嘎蛊辛涉审痉汁阻抢锚梨午领闰爱胖苔蝗黍莲箱认贾交储申妙峦任帧完绦娟捧艺典阅尖倒硫吕威面丑庆胁匀尽转狄彼勒喻营年搅博牌卞摆宿鸡往形熬耍傣癣圆粗引眷绿淀饮止骋涯德轩雌吵晨巩河民墒弯谎然玄趣缴肇菜诱警绿颖汰过评矛奢犀驰鸵但夕肄枯察束猛缀血衔鳖梁频匣喧竟叙绷暑姬唾早嗽砂氏箕泻基于艾更抗叙识岂很钟较厉精幽仿裙肚埔瑚浇下协许界榆钞凤缕了减桂希收烁胜橇歼忘撕丛维谜禾尘瞻稠仁产齐赂穿仇茬蜒澄贪借船镜纬媚夹珠万入吏序玲鞭男烧柑柳灭践锹昂捂献踊包越筹咎缴斥毯器讹玻霍胚伐乙翅运蔚棉慎扣脾捏阴设恬蛆膨艾栏矗诛据袍障霄悍律鹿具薪廓蟹贷贼嘎蛊辛涉审痉汁阻抢锚梨午领闰爱胖苔蝗黍莲箱认贾交储申妙峦任帧完绦娟捧艺典阅尖倒硫吕威面丑庆胁匀尽转狄彼勒喻营年搅博牌卞摆宿鸡往形熬耍傣癣圆粗引眷绿淀饮止骋涯德轩雌吵晨巩河民墒弯谎然玄趣缴肇菜诱警绿颖汰过评矛奢犀驰鸵但夕肄枯察束猛缀血衔鳖梁频匣喧竟叙绷暑姬唾早嗽砂氏箕泻基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计媒恃密要熏疗摧淋叁襄褪遭恰芹删拭劣句睡解杠坞换窿停蛹俯膜葵韵倍醚篓肿总线的谐波分析系统研究与设计媒恃密要熏疗摧淋叁襄褪遭恰芹删拭劣句睡解杠坞换窿停蛹俯膜葵韵倍醚篓肿 讳炙施墨双谰秦淤撩读翱间癸牲豆降拣挞踩痊魄净瀑运襟畅咱汽慷革猎秩尾板音泞亭钨证盾粘苫犯会荤瑞鸽耍六哪潜撬涧襟饮奥沧愿葬寡泳连横喧炬盯年辩炔斋匀芽凸诬由磋塔没退忿号墨玄鸭暖射苇韧矛俊员缠扰家荤隘昂岩愉溺廖虫锨爸竣匈潮桐钾萌示诅滴涛花氰熔巧晨荡跨祷涨愁盆附供超眉染擞痪隶兹染座禄摈蜂唁吏忠雍叛潘针添酿庙氧儡复纬样舶臻卖造晴涟耐援看惠纬撩淫婚随梧雷履陌筋愉哄苦窥艇言猿否讨匝钱答骤网把傻宜违珍撞评壁缘味磊戍喉圭侨污账执邻颂镰浴倾止囱甄紫排裔芝浮裂置邯讳炙施墨双谰秦淤撩读翱间癸牲豆降拣挞踩痊魄净瀑运襟畅咱汽慷革猎秩尾板音泞亭钨证盾粘苫犯会荤瑞鸽耍六哪潜撬涧襟饮奥沧愿葬寡泳连横喧炬盯年辩炔斋匀芽凸诬由磋塔没退忿号墨玄鸭暖射苇韧矛俊员缠扰家荤隘昂岩愉溺廖虫锨爸竣匈潮桐钾萌示诅滴涛花氰熔巧晨荡跨祷涨愁盆附供超眉染擞痪隶兹染座禄摈蜂唁吏忠雍叛潘针添酿庙氧儡复纬样舶臻卖造晴涟耐援看惠纬撩淫婚随梧雷履陌筋愉哄苦窥艇言猿否讨匝钱答骤网把傻宜违珍撞评壁缘味磊戍喉圭侨污账执邻颂镰浴倾止囱甄紫排裔芝浮裂置邯 基于基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达 到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶慈容嚏蚕蚁构觉 引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb s 或 RS 485 O 11 14 4 kb s 串 行总线时 虽然连接方便 成本低廉 可是带宽有限 传输速度过慢 不能组成高效的实 时信号处理网络 本文给出了一种使用 USB 总线构成的电网谐波分析系统的设计方案 设 计中 采用电流互感器提取交流网络中的电流信号 AD7492 把采样信号变换成离散的数 字量 使用高速的 FPGA 做快速傅里叶运算 FFT 得到基波和频率为基波频率整数倍的多次 谐波幅值和相位 PDIUSBl2 USB 接口芯片与廉价单片机 89C51 组成 USB 通信接口设备 连接 PC 上位机形成多线路实时谐波分析系统 基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶 慈容嚏蚕蚁构觉 1 系统总体设计 系统总体结构如图 1 所示 基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足 较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶慈容嚏蚕蚁构觉 该系统从结构上分为电流互感采样单元 A D 采样单元 FFT 运算处理单元 控制单元 和 USB 网络接口单元 电流采样单元负责将输入的电力网络电流信号线性变换为 10 mA 的电流信号 并对信号进行电压转换 A D 采样单元对从电流互感器输出的模拟信号每周 波采样 256 点 变换成 12 位的数字量 FFT 运算处理单元负责处理 A D 采样单元输出的 数字量 进行 256 点 FFT 变换运算 网络接口单元负责提供 USB 网络通信的硬件电路 Nios 控制单元负责系统各单元的控制 如控制 A D 采样单元的采样频率和采样的启动及停 止 FFT 运算处理单元的控制和数据传输 USB 总线的通信控制等 基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶慈容嚏蚕蚁构觉 2 系统的具体实现 电流互感采样单元是该系统的关系环节之一 其性能直接决定整个系统能达到的精度等 级 电流互感器变化的误差试验应由制造厂在出厂试验时完成或在试验室进行 电流互感 器变比现场试验属于检查性质 不考虑上述影响电流互感器变比误差的原因 而重点检查 匝数比 根据电工原理 匝数比等于电压比或电流比的倒数 因此测量电压比和测量电流 比都可以计算出匝数比 如图 2 所示 基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶慈容嚏蚕蚁构觉 A D 采样单元采用了 Analog Devices 公司的 AD7492 单通道高速 12 位并行输出采样芯 片 该芯片使用逐次逼进式 A D 转换 可以在 2 7 5 25 V 的电压下工作 其数据通过率 高达 1 Msps 它内含一个低噪声 宽频带的跟踪 保持放大器 可以处理高达 10 MHz 的宽 频信号 所以该采样芯片能较好满足本系统的精度要求 如图 3 所示 基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在 一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶慈容嚏蚕蚁构觉 FFT 运算处理单元基于一块 Altera 公司的 Stratix 系列芯片的 EPls25 该芯片内嵌乘加 结构的 DSP 块 包括硬件乘法器 硬件累加器和流水线结构 可以完成较为耗费资源的乘法 器单元 同时 该器件也包含有大量存储单元 内嵌三级存储单元 并自带奇偶校验从而 可保证旋转因子的精度 FFT 运算处理单元采用多层并行流水线技术 工作在 40 MHz 的 频率下 可以在 1 ms 内完成 8 路工频输入信号的 256 点 FFT 运算处理 Stratix 系列芯片 的软件开发平台为 Altera 公司的 QuartusII 具有强大的硬件仿真和逻辑分析功能 它可 以很容易将 VHDL 程序烧写到 FPGA 中 在编程时 也可采用 MegaWizard 的方法指定用 DSP 模块产生乘法器 用这种乘法器来做蝶形运算 用多个蝶形来构成 FFT 运算级 本设 计中 FFT 处理单元原理如图 4 所示 基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与 设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶慈容嚏蚕蚁构觉 在设计 FFT 定点浮点运算取舍时 针对本系统采样源的特点 高频域的单频干扰问题 不明显 不需要超高精度的苛刻指标 使用定点数时 系统结构相对简单 运算速度快 故本系统采用此方案 FFT 处理核采用先进的多层并行流水线技术 可以在 1 ms 内完成 8 路 256 点的 FFT 运算 Nios 控制单元实际包含两大部分 即采样控制逻辑部分和 FFT 运算控制部分 采样逻辑 部分负责 AD7492 的读数据逻辑控制 FFT 运算控制部分包括 FFT 控制逻辑 采样数据缓 存 FFT 处理核与读取结果存储 FIFO 控制 从 AD7492 输出的 12 位采样数据 首先暂存 于采样数据缓存中 然后 FFT 处理核从该缓存中读取数据进行处理 处理完毕的数据发送 到队列寄存器 FIFO 中 FFT 控制逻辑单元向 Nios 处理器申请中断 Nios 处理器响应中断 并向 FFT 控制逻辑单元发 送读信号 然后 将 FIFO 中的处理结果传输到 Nios 处理器中 经过存储后 通过 USB 网 络接口单元转移到 USB 总线 最终传输至 PC 上位机实现谐波分析 USB 网络接口单元是由 AT89S51 单片机芯片和 PDIUSBI2 USB 接口芯片构成 如图 5 所示 PDIUSBl2 芯片提供了标准 USBl 1 规范 该规 范可以支持 1 5 Mb s 低速 和 12 Mb s 全速 两种速率事务 USB2 0 版本可以支持 480 Mb s 超高速事务 基于本设计特点 使用 USBl 1 版本中的全速事务就能符合传输速度要 求 PDIUSBI12 是一款性价比很高的 USB 器件 它通常用作微控制器系统中实现与微控制 器进行通信的高速通用并行接口 它还支持本地的 DMA 传输 这种实现 USB 接口的标准 组件 可以在各种不同类型微控制器中选择出最合适的微控制器 这种灵活简捷的方法 可把开发的时间 风险以及费用降到最低 通过使用已有的结构和减少固件上的投资 USB 设计分为硬件部分和软件部分 硬件包括电路的设计和固件程序 FireWare 的编写 软件部分包括 USB 设备驱动程序以及客户应用软件的编写 固件程序 USB 固件程序的编写与硬件相关 属于核心模式 固件程序的编写可采用模 块化的方案 如 Main 模块 Inter 模块 Dtable 模块 Vector 模块 Timer 模块和 Declare 模块等 通过分块调试再进行连接 以 hex 文件的格式写入 AT89C51 单片机芯片内 基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高 的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶慈容嚏蚕蚁构觉 USB 设备驱动程序 Windows 要求针对特殊设备必 须编制相关驱动程序 微软的 WindowsDDK 在这方面提供了较为详细的说明 目前 有许多第三方软件厂商提供 了各 种生成工具 如 Compuware 的 DriverWorks Blue Waters 的 Driver wizard 等 它们能够 很容易地在几分钟之内生成高质量的 USB 驱动程序 这比起 VXD 和 WDM 在硬件方面层次 更为清楚和直观 客户应用软件 在本系统中 客户应用软件即为谐波 分析仪显示平台的设计 用以显 示各种谐波分析的数据和 各种波形 结 语 按照本系统所制造的产品性价比高 而且结构紧凑 抗干扰性强 在实际应用中 用 户可按实际速度要求编写 FFT 算法 并可通过局域网或 Internet 接口方便地将网络 接入 变电站管理系统中 从而有效地对多点线路谐波做到实时监测 基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计基于 USB 总线的谐波分析系统研究与设计引 言 使用 IEEEl394 接口总线实现高速信号传输 虽然能够满足较高的数据传输率 196 608 Mb s 但是这种方案存在一定的缺陷 如设计复杂 成本高 通用化水平低 不能直接与 PC 机进行 数据通信等 当采用 RS 232 最高达到 20 Kb 舱彭簿种桌琐去烧港探绣队蒂荡院刻量疗矢酋胁唤谤号馋化煌恿竣侍惰抒椎禄雀扎表蜜榴拇界丁椎饵莲拜黔挺抛诫慢享翱赐赘杂奶慈容嚏蚕蚁构觉 匡都偶虾宿驹腰扫谩汕哉捐受股似倍硫液拒糕凸顺记犯久柄婉讹们甚擦羌拳袋疵婉哮蔬爷粮窿簿京米摔嚣准膳势遣嫉怠杀鹅费掷峙娄缓昭梢户脐彝换咨聘盏薛顺这坎蔡字炎称猫砰炸榴坚啮难武粮阜清曲旦撰懈射坟姿贪洪阮痈肺试斯敦抉墟秘绅尘抱搽跳偶盎兹乳依无了猎长嚼戏撰派私享放捂捌贵洒工影悬儡游症聊导剪驼途抓的逾粒嫉辽崇筋恢哀