基于FPGA的电网基本电量数字测量系统的设计 二

基于FPGA的电网基本电量数字测量系统的设计

摘要：本文主要采用VHDL语言编程设计实现对电网频率、周期、相位差和功率因数的测量,其中也包括了对被测信号的变送、放大、滤波、比较、光隔和数码显示等硬件部分。整个软件部分下载到一片FPGA（现场可编程门陈列）芯片上，系统非常精简，灵活性较高，在不更改硬件电路的基础上升级，只需重新编程下载，并且能够实现同样的技术指标。FPGA器件功能强大，开发过程投资少、周期短，可反复修改，保密性能好，开发工具智能化；硬件描述语言VHDL具有系统硬件描述能力强、通用性和设计的可交换性、可以支持多种设计方法和设计技术等优点。

关键词：频率；周期；相位差；功率因素；现场可编程门阵列；超高速集成电路硬件描述语言。

目   录

摘要……………………………………………………………………………………………

Abstract………………………………………………………………………………………

第1章  前言……………………………………………………………………………

1.1  FPGA简介…………………………………………………………………………

1.2  FPGA的发展前景及开发流程……………………………………………………

1.2.1  FPGA的发展前景………………………………………………………………

1.2.2  FPGA的开发流程………………………………………………………………

第2章  可编程器件及其描述语言………………………………………………

2.1  ACEX1K器件简介……………………………………………………………

2.2  MaxplusⅡ简介……………………………………………………………………

2.3  硬件描述语言VHDL………………………………………………………………

2.3.1  VHDL语言简介………………………………………………………………

2.3.2  利用VHDL语言开发的优点…………………………………………………

第3章  电网基本电量测量的方案比较与确定…………………………………

3.1  频率和周期测量方案比较与确定…………………………………………………

3.2  相位差和功率因数测量方案比较与确定………………………………………

第4章  电网基本电量数字测量系统主要模块的VHDL语言实现…………

4.1  电网频率测量的系统模块构成…………………………………………………

4.1.1  分频模块……………………………………………………………………

4.1.2  计数模块……………………………………………………………………

4.1.3  锁存模块……………………………………………………………………

4.1.4  片选模块……………………………………………………………………

4.1.5  数据传输模块………………………………………………………………

4.1.6  七段译码模块…………………………………………………………………

4.1.7  电网频率测量系统模块构成…………………………………………………

4.2  电网周期测量的系统模块构成……………………………………………………

4.3  电网相位差测量的系统模块构成………………………………………………

      4.3.1  设计方法……………………………………………………………………

      4.3.2  计数模块………………………………………………………………………

      4.3.3  移位模块……………………………………………………………………

      

4.3.4  乘法模块……………………………………………………………………

      4.3.5  除法模块……………………………………………………………………

      4.3.6  选数模块……………………………………………………………………

 4.3.7  数制转换模块………………………………………………………………

 4.3.8  动态显示模块………………………………………………………………

 4.3.9  电网相位差测量系统模块构成……………………………………………

4.4  电网功率因数测量的系统模块构成………………………………………………

 4.4.1  相位-功率因数转换模块………………………………………………………

 4.4.2  动态显示模块………………………………………………………………

 4.4.3  电网功率因数测量系统模块构成……………………………………………

4.5  键盘模块的构成……………………………………………………………………

4.6  总测量系统模块构成………………………………………………………………

第5章  硬件系统设计………………………………………………………………

5.1  主电路设计……………………………………………………………………

5.2  传感电路的设计……………………………………………………………………

 5.2.1  主要器件介绍………………………………………………………………

 5.2.2  电压形成电路的设计………………………………………………………

5.3  信号调理电路的设计………………………………………………………………

5.4  放大器电路的设计及选型………………………………………………………

5.4.1  放大10倍的放大器的设计及选型………………………………………

5.4.2  放大100倍的放大器的设计及选型………………………………………

5.5  比较器电路的设计及选型………………………………………………………

5.6  光电隔离电路的设计及选型………………………………………………………

5.6.1  光隔电路………………………………………………………………………

5.6.2  光隔原理………………………………………………………………………

5.7  中央控制模块电路的设计………………………………………………………

5.8  键盘与显示电路的设计……………………………………………………………

5.8.1  键盘输入电路………………………………………………………………

5.8.2  显示电路………………………………………………………………………

总结…………………………………………………………………………………………

致谢……………………………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………………………

附录A、VHDL语言清单………………………………………………………………

附录B、频率测量系统顶层模块图………………………………………………………

附录C、周期测量系统顶层模块图……………………………………………………

附录D、相位差测量系统顶层模块图…………………………………………………

附录E、功率因数测量系统顶层模块图………………………………………………

附录F、总测量系统顶层模块图…………………………………………………………

附录G、主电路图…………………………………………………………………………