基于FPGA的FFT处理器的设计与仿真.

1、25卷 第11期2008年11月微电子学与计算机M ICROEL ECTRON ICS & COMPU TERVol. 25 No. November 2008收稿日期:2008-01-20基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(02J C50基于FP GA的FF T处理器的设计与仿真董 惠1,2,卫铭斐2,江 丽2,曾 俊2(1西北工业大学自动化学院,陕西西安710072; 2, 710055摘 要:FFT处理器.2,由6个功能模块组成.整个设计基于Verilog HDL , A ,并运用Quartus U工具进行了综合仿真.仿真,对电网谐 波分析与经济运行具有实用价值.关键词:FFT语言;

2、Quartus II ;电力参数中图分类号：文献标识码:A文章编号:1000-7180(2008 11-0117-04Design and Simulation of FFT Processor Applied in E lectric Pow er G rid ParametersDON G Hui 1,2, WEI Mi ng 2fei 2, J IAN G Li 2, ZEN G J un 2an 710072,(1School of Automatio n Northwester n Polytech nic Un iversity , XiChi na ;an Un iversity

3、 of Architecture and2School of In formatio n and Automati on ,XiTech no logy , Xian 710055, China Abstract :Based on harmooirabandnced errorsof power grid , FFT arithmetic is utilized in parameter real 2time calcu 2lation and FFT processor is desig ned and impleme nted. The proposed processor adopts

4、 radix 22DIF algorithm , pipeli ned architecture and fixed 2po int operati on .It is composed with six differe nt fun cti onal modules , emplo ying VerilogHDL as hardware descripti on Ian guage ,FPG A as the logic con troller , Quartus II as desig ning and syn thesis simulati on tool. The simulati o

5、n results in dicated FFT processor approached the requireme nts of high accuracy monitoring and measuring of elec 2tric power parameters , which is valuable for harm onic an alysis and econo mic operati on of power grid. K ey w ords :FFT processor ; FPG A ; VerilogHDL ; Quartus II ; electric power p

6、arameter1引言目前电网普遍存在着较大的谐波误差和不对称误差,对电网的各种运行参数进行实时准确的监测非常重要，是保证电网安全运行的前提和依据.文中设计的电力参数监测用FF T处理器,以FP G A作为逻辑控 制器，用VerilogHDL硬件描述语言设计，把FF T的实时化要求与FP G A的灵活性 结合起来,采用频域FF T算法对三相电压、电流、有功功率、无功功率和不平衡度 等进行计算，以得到电网中电压、电流以及各类谐波成分的参量，计算出电网负载的 大小及非线性度，以便于进行无功补偿.处理器满足高 精度电力参数监测的要求1.2 FF T处理器的总体设计方案FF T处理器实现对6路电力参数

7、的64点采样,根据频域计算公式计算出电网的有功功率、无功功率、功率因数和不平衡 度等.FF T处理器的设计采用自底向上的设计方案，遵循模块化、规则化和局部化 的原则,逐一对每个模块进行设计采用Ver 2ilogHDL语言对FF T处理器中的各个 模块进行设计,Quartus U工具进行仿真223.处理器的主要功能模块包括：算术逻辑单元、蝶形运算单元、双端口 RAM、 旋转因子ROM、时序控制单元、电力参数计算单元、系统顶层控制电路和数据处理单元设计等.图1是顶层控制电路和数据处理单元原理图图1顶层控制电路和数据处理单元原理图2. 1算术逻辑单元算术逻辑单元对16位有符号数求和、求差和乘积，提供

8、给蝶形运算器计算考虑到综合工具Quar 2tusll总是将算术运算统 为无符号型，因此,对加、减法器进行如下改进4.加法器：1pm sub dsp a sub1(. dataa (16 hFFFF ,. datab (B oesult (sassign data =(B15 ? A 0neresetADJCHANNEL2.4AD Addip 0|AD Dtlspi.J)AD U洞皿ndat4|l|l 0)dhiLdsale图2算术逻辑单元仿真结果2. 2蝶形运算单元蝶形运算器是FF T处理器的核心模块，它的精度和速度决定着整个FF T处理器的精度和速度.文中它主要完成6个16位有 符号整数的4

9、次乘法,4次加法和4次减法.经算法原理分析得到计算公式如下：X (1 =Ar +Br 3Wr -Bi 3Wi +j (Ai +Wr 3Bi +WiBr ,X (2 =Ar -Br 3Wr +Bi 3Wi +j (Ai -Wr 3Bi -WiBr ,其中的输入是由控制单元提供的复数 A ,B和旋转因子W KN ,图3为蝶形运算单元的仿真波形.2. 3双端口 RAM双端口 RAM同时存储输入序列和蝶形运算完811微电子学与计算机2008年成后的输出序列,通过Quartusll生成满足设计需要的双端口 RAM ,宽度为32, 单元数为64,初始化文件设置成作为测试输入的正弦信号做 64点采样的模拟数

10、据. 图4为双端口 RAM仿真结果:FHXUXJw戶 ilf谒4科 4常/p”TLTLrtru2仝；UOOOfLi_i*OOOOi3图4双端口 RAM仿真结果2. 4旋转因子ROM为完成蝶形运算需要提供旋转因子，旋转因子W KN产生电路由一片ROM和地址发生器组成，用于查询在运行过程中需要用到 的旋转因子，旋转因子实际上是复平面单位圆上均匀拆分的点，设计中采用64点FF T ,需计算从0开始到31的部分,通过ROM初始化文件的形式放于 ROM中,实部 放输出W K N的高16位,虚部放输出W KN的低16位,供控制单元查询后参与蝶形运算.2. 5时序控制单元时序控制单元的主要功能是协调傅里叶变

11、换整体时序 ，产生读写地址对，为旋转 因子单元提供运行状态指针，为上层单元提供控制信号等由于参与运算的量较多， 设计中采用双级状态机，将底层复杂状态交由二级状态机完成，而总体时序、门控信 号均交给上级状态机图5为时序控制仿真结果图5时序控制仿真结果2. 6电力参量计算及存储单元64点FF T 5计算完成后,根据RAM内的频谱计算电压、流有效值和功率等参数，同时调用存储单元将参数保存至外围存储器中，设计在保存参数时总是构造512字节的包,采用 CRC32算法对包进行编码.频域计算电量公式如下：I =刀N/2k =1I 2R(k +1 2I (k , U = 刀N/2k =1U 2R(k +U 2

12、I (k ,P =2N/2k =1Re Ua (k ? I 3a(k +U a (k ? I 3 b(k +U c (k ? I 3 c(k , 911第11期董惠,等:基于FPG A的FFT处理器的设计与仿真Q =2刀N/2k =1Im U a (k ? I 3a(k +U a (k ? I 3b (k +U c (k ? I 3c (k .式中,IR ,UR ,11 , U I分别表示电压、电流经傅里叶变换到频域后的实部和虚部 Re表示求括号内复数的实部;Im表示求括号内复数的虚部.3 FF T处理器误差分析FF T算法随着系统频率及采样频率的变化，存在计算误差，这种误差是可以控制的.据总

13、线统一为16位,地将浮点数放大32 位16位,即除以32767/32768. 14位有符号型A/D转换结果，系统的总体计算误差约 为 1/1024.4结束语文中采用FP G A作为逻辑控制器，MAX1320作为多路采样保持A/D转换器, 设计了电力参数监测用FF T处理器.在电网含谐波误差和不对称误差情况下，对三 相电压、电流进行实时采集，通过自主设计的具有原位运算能力的 FF T处理器,计 算输入序列的频谱，根据频域计算公式，计算出电网的有功功率、无功功率、功率因数和不平衡度等，通过存储控制器将这些电网运行参 数保存到大容量NAND FLASH存储器中,可供上位机查询近一年内精确到分钟的 电

14、网运行参数.参考文献：1 简弘伦.精通设计核心技术实例详解M .:2data sheet M .USA :Altera,Ma Y , Wan hammar L. A hardware efficie nt con trol ofmemory address ing for high performa nee FFT processors J.IEEE tran sact ions on signal processing , 2000,48(3 :917-921.4杨博涵,李明,沈绪榜.一种基于SIMD -MCC计算机的二维FFT并行算法J.微电子学与计算机，2005, 22(2 :104-1

15、07.李小进，初建朋，赖宗声，等高速基2FFT处理器的结构设计与FPG A实现J.电路与系统学报，2005, 10(5 :49-53.作者简介：董惠女,(1966-,博士研究生，副教授.研究方向为智能信息处理与信息控制(上接第116页多阶HMM预测器进行融合的用户浏览行为预测模型.它针对已有的多预测器融合方法的不足进行了改进具有以下特点:(1在融合中通过对不同用户浏览模式分类，建立多Morkov链模型模型并以其 预测结果为HMM预测器的输出置信度指标，拓展了经典的网页访问预测多 HMM 模型融合方法的先验信息，以提高用户访问页面的预测准确率；(2该算法通过模糊积分理论融合1N阶HMM模型预测结

16、果，相对已有的线 性加权方法具有保真性和客观性，具有更高的预测准确率性能测试实验的结果表明，该模型具有较好的整体性能，可广泛用于为Web站 点管理、电子商务以及网页预取等领域.参考文献：1 Sarukkai R R. Li nk predicti on and path an alysis usingmarkov cha ins J.l ntern ati onal Jour nal of Computer & Telecommu ni cati onsNetworking , 2000, 33(1/6 :377-386.2 Alexandros N , K atsaros D , Manol

17、opoulos Y. A data min 2ing algorithm for gen eralized Web prefetchi ng J.IEEE Trans, on Kno wledge and Data engineering ,2003,15(6 :1-16.3 Xing D S , Shen J Y. A new markov model for web accesspredictionJ.IEEE Trans. on Computer in Science &Engineering , 2002,4(6 :34-39.4 Fan L , Cao P , Lin W , et al. Web prefetchi ng betwee nlow -ba ndwidth clie nts and proxi