本章主要给出了本系统的设计目标和硬件设计方案，后面详细介绍了硬件电路的设计
过程，包括数据采集板、
FPGA+ARM
控制板。
3.1系统设计目标
本系统的主要目的是实现电能质量指标的高精度测量和数据分析，其具体技术指标如
下所示：
1.电能质量指标测量精度：
(1) 电压：
±0.3%
额定电压；
(2) 电流：
±0.5%
；
(3) 频率：
±0.01 Hz
；
(4) 三相不平衡度：
±0.2%
；
(5) 谐波分析：
1-17
。
2.能够实时显示电能质量指标和三相电压电流的波形，实现数据共享和良好的人机交
互。
3.能够对电网运行数据进行存储。
3.2系统总体方案
测量系统中控制电路的结构各式各样，有单独的
FPGA
、
ARM
、
DSP
芯片的控制电
路，还有基于
FPGA+ARM
、
DSP+FPGA
、
DSP+ARM+FPGA
等多架构控制电路，本设计选
用
FPGA+ARM
的双处理器模式作为控制电路，
FPGA
的
I/O
口数量多，接收和处理数据的速
度快，具有较强的最短窄脉冲捕获能力，抗干扰能力强，保证了数据采集过程的准确性和
连续性，
FPGA
还具有硬件乘法器，数据处理方式是并行的，为后续
FFT
算法中涉及的大量
的乘积累加和的运算提供保障。
ARM
是一款常用处理器，具有高性能、低功耗等特点，集
成库函数较多，开发方便，而且外设众多，为后面系统功能的扩展提供足够的空间。系统
硬件框图如图
3.1
所示。
由上图可知，硬件电路主要包括数据采集部分、 FPGA+ARM
控制部分、上位机部分。
数据采集板的设计包括电源电路、前端的电压电流互感电路电路、电压跟随电路、基于
AD7606 的模数转换电路；
FPGA+ARM
控制部分主要包括
FPGA
和
ARM
的供电电源电路、
下载电路、串口电路、时钟电路等；上位机显示模块是用 C#
编写的上位机软件。系统的具
体工作过程为：首先将电网三相大电压、电流信号通过电压、电流互感器以及运放构成的
电压跟随电路，把信号调整至 A/D
的输入范围，再由
FPGA
控制模数转换器实现
6
通道信号
的高速同步采样，在 FPGA
内部完成三相锁相环和
FFT
计算模块的设计，并利用
SDRAM
对历
史数据进行存储， FPGA
和
ARM
通过
FSMC
进行通信；在
ARM
处理器中移植嵌入式实时操
作系统 FreeRTOS
，完成
FPGA
和
ARM
之间数据的读取和写入、
ARM
和上位机之间的串口通
信、以及经浮点运算后得出电能质量的各项参数等线程任务，最后通过在上位机软件中实
时显示和分析各项电能质量指标。
3.3 数据采集模块
3. 3 . 1采样过程
数据采集作为系统的前端电路，直接影响电参数的测量精度、实时显示速度。近年来
数字化采样在电气测量领域得到了广泛的应用，信号采集分为直流采样和交流采样两种：
（
1）直流采样是利用变压器或互感器将交流电压或电流信号的幅值降低，通过整流电
路转化成直流信号再进行采集。缺点主要有： R-C
滤波回路的时间常数很大，影响实时
性；在测量含有谐波或噪声的信号时具有较大的误差；变送器设备复杂且后期不便于维
护。
（
2）交流采样 [33]
的基本原理是利用电压、电流互感器将被测的交流电压和电流信号进
行隔离、滤波、移相、放大后，利用微处理器对其连续瞬时值进行采样得到离散的时域采
样序列，再通过一些算法对采样值序列进行数值处理以计算出被测量，交流采样省去了复
杂的整流电路，只需简单的滤波和幅值放大衰减的调理电路。由于交流采样对象是信号的
瞬时值，因此其实时性好且相位的失真较小，近年来电子技术飞速发展， DSP
和高速 A/D
转换芯片为交流采样提供了硬件支持，交流采样正在逐步替代直流采样，成为电气测量领
域的主流采样方式。
3. 3 . 2 AD7606模数转换电路
AD 转换器是整个采集板的核心，其转换速度、分辨率等性能指标的优劣直接影响
最终的测量结果 [34]
。市面上
AD
转换器的种类繁多，不同公司不同系列产品之间性能也
是千差万别。要想对数据进行高精度采集，高精度的模数转换器是必不可少的。
根据通道数量、采样率和同步采样等设计要求，本设计选用 Analog Devices (ADI)
公
司的 8
通道
16
位
AD7606
同步采样芯片，是电力线路测量系统中常用采样芯片之一，采样速
率高达 200kSPS
，支持
±5 V
、
±10 V
双极性信号输入,采用
5 V
单模拟电源供电,内部集成了
2.5
V 基准电压源,提供了过采样和数字滤波功能，数字输出方式根据需要设置为并行输出或串
行 输 出 。 传 统 的 逐 次 逼 近 (SAR)ADC
在 输 入 前 端 都 要 加 一 级 运 算 放 大 器
(Operation
Amplifier) ，才能驱动内置采样电容实现采样，而
AD7606
集成了低噪声、高输入阻抗的信
号调理电路，其具有 1
M
模拟输入阻抗的输入缓冲器，因此，
AD7606
不需要外部驱动电路
和滤波电路，大大简化了前端设计。 AD7606
的硬件连接图如图
3.2
所示。
3.4 FPGA+ARM控制模块
3.4.1 FPGA的选型
FPGA(Field-programmable Gate Array) ，即现场可编程门阵列，是在可编程器件 PAL
、
GAL 、 CPLD
等的基础上发展而来的，它是专用集成电路（
ASIC
）中的一种半定制电路
[36] ，具有静态可重复编写的功能，用户可以通过软件编程重新配置内部的逻辑模块和 I/O
口，达到改变硬件功能的目的，这样就克服了定制电路不灵活性的缺点，集成度得到了很
大的提升，其特有的并行处理方式极大提高了数据运算速度。近年来微处理器发展迅速，
集成度越来越高，仅用一块 FPGA 芯片及其供电电路、配置电路和时钟电路即可组成数字电
路，外围电路大大减少。由于 FPGA 处理器丰富的可编程资源、并行的数据方式、灵活性强
等优点，使其在实时信号处理、数据传输等领域得到了广泛的应用。目前市场上 FPGA 的
主要厂商有 Xilinx 、
Altera
以及
Actel
等，选择芯片时要根据设计需要的逻辑资源、RAM、工
作频率、速度等级以及管脚数目等，逻辑单元数 (LEs) 、内部集成存储器、硬件乘法器也是
重要选型指标，逻辑单元的数量决定集成度的高低。本设计最终选用 Altera 公司的
Cyclone
Ⅳ系列 EP4CE10F17C8N ，其集成了
256
个可用引脚，
23
个乘法器，
10320
个可编程逻辑
单元，高达 105 个高性能扩展
I/O
口，高达
50M
的有源晶振，能够倍频出多种不同频率的时
钟，完全能够满足该系统的设计需求。
3.4.9 FSMC接口
FSMC(Flexible Static Memory Controller) 可变静态存储控制器，是 STM32
系列处理器
自带的通信总线， STM32 通过
FSMC
对外部存储器进行直接读写，能够支持多种类型静态存
储器的扩展 [44] ，本设计中将数据线
D
［
15:0
］、地址线
A
［
25:16 ］以及其他控制引脚连接
到 FPGA 的
I/O
端口，将
FPGA
看作
STM32F407
的外部
SRAM
，
STM32
通过存储器读
写指令对 FPGA 进行操作，通过扩展出的控制/数据/地址三种总线来完成控制操作。
FSMC
的映射地址空间被划分为 4 个组
(Bank)
，用于连接外部存储器，每个
Bank
有独立的片选信号
和独立的时序配置， FSMC_NE1 为第一组第一区的片选信号，读写信号接口分别为
FSMC_WR 和 FSMC_RD
，根据设计的数据要求，设计数据位宽
16
位，地址位宽
10
位，接线图如图 3.13 所示。
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