基于FPGA的数据采集及显示

摘  要： 在电力系统谐波分析中，模数转换(ADC)电路是影响系统检测性能的主要环节之一。基于NiosII的谐波分析系统具有逻辑控制能力强、信号处理实时性高、系统抗干扰能力强等特点。以Altera公司的DE2开发板为平台，实现了采样电路的硬件设计；在Quartus II 中用Verilog HDL语言完成了与FPGA的接口设计，并最终实现VGA显示。
关键词： ADC；NiosII；FPGA；谐波分析；VGA

　谐波是电力系统的一大公害，消除谐波污染，把谐波含量控制在允许范围内，已经成为主管部门和用电单位的共同奋斗目标。而要消除电网中的谐波，首先就要对谐波进行准确测量，谐波测量工作已经越来越引起人们的关注[1]。A/D转换电路是电力系统谐波测量中必不可少的一个重要环节，是电力系统谐波测量系统前端的核心。
　FPGA因具有强大的逻辑控制能力、高速的运算能力、灵活的可编程性，已经越来越多的被用于各种数字系统。在FPGA内部一般都内嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模块。用FPGA模块来实现数字信号处理可以很好地解决并行和顺序性的矛盾，直至速度问题，而且其灵活的可配置性，使得FPGA构成的DSP系统非常易于修改，易于测试及硬件升级。在QuartusII开发软件中用Verilog HDL硬件描述语言能够很容易进行逻辑电路设计，并且在FPGA中可以实现用硬件进行配置，可有效降低软件运行时间和软件设计复杂程度[2]。因此，FPGA非常适合在电力系统谐波测量系统中作为核心器件。
　本文中采样电路选用AD73360，在QuartusII中用Verilog HDL硬件描述语言实现了AD73360及VGA与FPGA的接口设计，最后通过实验验证了设计的正确性。
1 系统总体方案
　系统以Altera公司的DE2开发板为平台，系统框图如图1所示。信号采集单元核心器件为电压、电流互感器。互感器将待测高压、大电流信号线性转换为合适的微弱电压信号，该微弱电压信号经信号调理电路放大为合适的电压信号，经低通滤波电路滤除高于2 500 Hz的高频噪声，然后送到A/D转换单元进行A/D转换，转换后形成数字信号存储到存储器中，再送到FFT处理单元进行快速傅里叶变换，变换后得到的数据再储存到存储器中，再进行一系列相关运算，如：谐波电压含有量、谐波电流含有量、各次谐波电压含有率、各次谐波电流含有率等，最后经VGA进行显示出波形和相关数据。

2 AD73360的配置[3]
2.1 A/D电路设计
　A/D电路如图2所示。A/D电路可分为以下三个部分。

　(1)电源部分。AD73360有5 V和3 V两种工作模式，为了能够与FPGA实现直接连接，采用3 V供电(FPGA接口电平为3.3 V左右)，这样无需外加电平转换电路，可以简化电路设计、降低系统功耗、节约成本。
　(2)模拟输入部分。AD73360有6个通道，每个通道又分为正端VINP和负端VINN，每个通道都可以由AD73360内部控制寄存器配置为差分输入和单端输入两种方式，本设计采用单端交流耦合输入方式。
　(3)与FPGA接口部分。AD73360采用六线制串行接口，能很方便与外部电路实现接口连接，为了实现AD73360与FPGA的连接，就需要在FPGA中设计一个控制器，在Quartus II中设计的A/D控制器AD_controller如图3所示。

2.2 AD73360的配置
　AD73360为可编程A/D转换器，每次启动系统都要对其进行配置。对AD73360的配置有两种方式，一种方法是用程序来实现，另外一种方法是利用FPGA具有很强的逻辑控制能力，用硬件实现对AD73360的配置，后者虽然会占用一些硬件资源，但是这样可以大大简化系统程序设计，节约软件运行时间，因此本设计采用后者。系统上电或者手动复位后，AD73360被复位，在复位状态下，AD73360的八个控制字寄存器被初始化为00H，同时AD_controller也被复位到初始状态，SE被置1，从而AD73360串口进入工作状态。当复位信号变为高时，AD73360进入编程模式，该模式下，AD73360数字端接口时序如图4所示。在编程模式下，AD73360的SDOFS引脚以主时钟频率的1/2048的频率产生输出数据标志信号，当控制寄存器被正确配置后，将产生与设定采样频率同频的SDOFS标志信号，每个输出标志信号以后SDO引脚将连续输出16位随机数据，这时候的数据是随机产生的，不是有效的A/D转换数据。与此同时，在SCLK时钟的下降沿，若SDIFS标志位有效，则AD73360于下一个SCLK下降沿开始读取SDI引脚数据，并存到AD73360中的串行寄存器。

　撤销复位信号后，AD_controller开始对AD73360进行配置，配置过程如图4所示。系统复位后标志信号GO被置1，经过三个SCLK时钟周期后GO被置0，此时把第一个配置数据赋给SD，标志信号GO保持一个SCLK时钟周期后，又被置1。当标志信号GO=0时，AD_controller进入下一状态检测SDOFS，当检测到SDOFS由1变为0时，进入写数据状态，从SD最高位开始由高到低逐位往SDI端口写数据，每个SCLK时钟周期写一位，直到写完16位数据，AD73360根据这16位数据的前8位数据针对把后8位数据写入相应AD73360的相应控制寄存器，写完16位数据后，系统把SDIFS引脚设为高阻状态，并产生一个SCLK周期的END(对END置1)信号，作为一个控制字配置完成的标志。系统检测到END标志信号后，在未对所有控制字进行有效配置的情况下，把下一个控制字赋给PDATA，并产生一个SCLK周期的GO(把GO置0)标志信号，系统检测到GO标志信号后，再检测SDOFS，在SDOFS为1的下一个SCLK开始通过SDI端口向AD73360写下一个控制字，直到8个控制字都被写入AD73360，配置完成后，AD73360进入数据模式，开始进行A/D转换。完成配置任务后AD_controller结束配置状态，把SDI设为高阻状态，并开始接收SDO引脚的数据，并把接收到的串行数据转换成16位并行数据[4]。
　在QuartusII开发工具中，用Verilog HDL语言完成了对AD73360的配置，并进行了功能仿真，功能仿真结果如图5所示。

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3 VGA显示
　VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。随着电子技术的发展，VGA接口出现在很多嵌入式平台上，用于图像信息的实时显示等。Altera公司提供的DE2开发板上有一个VGA接口，极大地方便了利用VGA实时显示。
3.1 VGA显示原理及时序
　通用VGA显示卡系统主要由控制电路、显示缓存区和视频BIOS程序三个部分组成。控制电路主要完成时序发生、显示缓冲区数据操作、主时钟选择和D／A转换等功能；显示缓冲区提供显示数据缓存空间；视频BIOS作为控制程序固化在显示卡的ROM中。VGA接口为显示器提供两类信号，一类是数据信号，一类是控制信号。数据信号包括红、绿、蓝信号，简称RGB信号，控制信号包括水平同步信号和垂直同步信号。输出不同分辨率时，水平同步信号和垂直同步信号的频率也不同。
　要实现VGA显示就要解决数据来源、数据存储、时序实现等问题，其中关键还是如何实现VGA时序。VGA的标准参考显示时序如图6所示。行时序和帧时序都需要产生同步脉冲、显示后沿、显示时序段和显示前沿四个部分。几种常用模式的时序参数如表1所示。

　本系统集成了前端采集、中间处理和后续显示功能模块，充分利用了FPGA的逻辑资源和NiosII处理器的强大功能，较好地实现了预期目标。与同类系统相比，具有开发时间短、程序可移植性强和成本低等优势。该系统作为电力系统谐波分析系统的一部分，在数据采集及预处理方面已经取得较好的效果，后期将进一步研究基于FPGA内部逻辑结构的FFT实用算法。