CN107505506A - 基于fpga和dsp的电力推进船舶谐波监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，包括电流传感器、电压传感器、信号调理电路、A/D转化器、DSP芯片和FPGA芯片；电流传感器用于采集电流信号；电压传感器用于采集电压信号；信号调理电路用于对采集的电流信号和电压信号进行滤波处理和极性变换、电平变换；A/D转化器用于将经过滤波处理后的电流信号和电压信号转化为电流数字信号和电压数字信号；DSP芯片用于对电流数字信号和电压数字信号进行预处理后发送至FPGA芯片，并对FPGA芯片处理后的信号进行后期运算并输出，谐波异常时发出报警。本发明对电力推进系统的谐波进行实时监测，降低谐波对电力推进系统的不良影响，保证船舶能够稳定可靠的航行。

Description

基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统

技术领域

本发明涉及船舶动力装置管道振动技术领域，具体地指一种基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统。

背景技术

随着电力电子技术在船舶上的大量应用，用电设备不断增加，船舶自动化水平显著提高，船舶电力推进技术也取得了飞速的发展。与此同时，电能质量问题确实不可忽视的，非线性与冲击性负荷在船舶运行过程中带来了谐波、三相不平衡性、电压波动、闪变等电能质量问题，对船舶电力系统的可靠性和安全性造成了一定的影响。例如，我国广船国际生产的“泰安口”号18000吨级半潜船，采用SSP-5吊舱式全回转电力推进系统的全电力推进船舶，其推进系统中包含的变频器等电力电子设备在使用过程中，为船舶电网注入大量谐波，对整个电网造成干扰；此外，通讯导航系统以及海难救助等设备对大量高次谐波也比较敏感，受其影响可能会出现信号干扰，甚至无法正常运行。大量谐波的注入使得系统中的主要部件的故障风险增加，且会使运行的经济效率降低。近年来，大量非线性负载在船舶的使用导致船舶谐波问题越来越严重，具体危害有如下几个方面：

(1)船舶电网是具有复杂环境和大量运用电力电子变换器的独立小容量电网，谐波造成影响比陆地电网更加显著，高频的谐波电压和电流会造成电机、变压器、输电线路损耗增加，引起系统中设备的可靠性和耐用性降低。

(2)使继电保护、自动装置、计算机系统及测量装置运转不正常或者误操作，导致船舶运行的安全性下降。

(3)造成大量的电磁干扰，对导航系统、通讯系统造成影响，导致其不能正常的工作。

因此，急需一种能够对电力推进系统的谐波进行实时监测的电力推进船舶谐波监测系统。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，其目的是对电力推进系统的谐波进行实时监测，降低谐波对电力推进系统的不良影响，保证船舶能够稳定可靠的航行。

为实现上述目的，本发明所设计的基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，包括所述系统包括电流传感器、电压传感器、信号调理电路、A/D转化器、DSP芯片和FPGA芯片；所述电流传感器用于采集电力推进系统的电流信号；所述电压传感器用于采集电力推进系统的电压信号；所述信号调理电路用于对采集的电流信号和电压信号进行滤波处理和极性变换、电平变换；所述A/D转化器用于将经过滤波处理后的电流信号和电压信号转化为电流数字信号和电压数字信号；所述DSP芯片用于对电流数字信号和电压数字信号进行预处理后发送至FPGA芯片，并对FPGA芯片处理后的信号进行后期运算并输出，谐波异常时发出报警。

进一步地，所述FPGA芯片用于对输入的数字信号进行FFT运算。

更进一步地，所述信号调理电路包括电流采样电路、抗混叠低通滤波电路和电平提升电路。

更进一步地，所述FPGA芯片中FFT运算的硬件结构包括Butterfly运算模块、控制模块、存储器1、存储器2、存储器3、存储器4；所述Butterfly运算模块用于进行蝶形运算；所述存储器1用于存储Butterfly运算模块计算出的奇数极的结果，所述存储器2用于输入n时刻的数据，所述3用于输入n+t时刻的数据；所述存储器4用于存储N/2点旋转因子，所述控制模块用于产生控制信号。

更进一步地，所述系统还包括同步锁相电路，用于对信号调理电路的输出信号进行锁相处理，防止信号的采样失真。

更进一步地，所述DSP芯片和FPGA芯片之间采用SPI通讯。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1、采用FPGA与DSP双处理器相结合的方式。

对于传统的电力推进船舶的谐波、电压和电流的监测，大多采用单一的处理器进行监测，数据处理速度较慢，采样点相对较少，采样数据的精度较低。本发明采用FPGA与DSP双处理器相结合的方式，利用DSP芯片对数字信号进行预处理后后送给FPGA，FPGA对采集的数据进行并行FFT计算后再输出给DSP芯片进行后期的运算、通讯以及显示。该方式采样速度快，数据处理能力强，采样点增多，采样数据精度很高。

2、在进行谐波监测时，采用FPGA进行数据运算。

目前大多数FFT运算采用的是DSP，因为DSP技术相对成熟，开发较简单且成本低。但是它的运算速度较慢，接口不灵活，需要外置控制芯片以及接口。而FPGA在运算速度、灵活性和体积上都优于DSP。因此，本文采用FPGA进行并行FFT运算，而DSP进行高速数据采集，并对FPGA运算的结果进行显示。

3、在船舶运行过程中，对船舶电网参数的实时检测和显示。

参数检测装置实时的检测船舶电网状况，检测到的参数会通过人机交互界面的触摸屏显示装置显示出来，船舶工作人员可以直观的观察，当电网谐波出现异常时，报警提示工作人员。

附图说明

图1为本发明基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统的结构框图。

图2为图1中FPGA的FFT运算硬件框架图。

图3为图1中信号调理电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明一种基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，能够对电力推进系统的谐波进行实时监测，降低谐波对电力推进系统的不良影响，保证船舶能够稳定可靠的航行。该系统的结构如图1所示，该系统主要由电流传感器、电压传感器、信号调理电路、A/D转化器、同步锁相电路、人机交互界面、DSP芯片、FPGA芯片和同步锁相电路组成。

电流传感器用于采集电流信号；电压传感器用于采集电压信号；信号调理电路用于对采集的电流信号和电压信号进行滤波处理和极性变换、电平变换；A/D转化器用于将经过滤波处理后的电流信号和电压信号转化为电流数字信号和电压数字信号；DSP芯片用于对电流数字信号和电压数字信号进行预处理后发送至FPGA芯片，并对FPGA芯片处理后的信号进行后期运算并输出，谐波异常时发出报警。FPGA芯片用于对输入的数字信号进行FFT运算。

电流和电压传感器采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器，其作用是实时采集电力系统中的电流信号和电压信号。

信号调理电路的作用是对信号进行滤波，防止在进行FFT算法出现频率的混叠。

A/D转化器选用MB88111P-SH作为A/D转换器，该A/D转换器具有24路模拟量输入，10位分辨率，同步采样等功能，工作温度范围为-40至+50摄氏度。其可以输入和输出16位串行数据，可以很容易地连接到串行I/O端口中的16位微控制器。其的作用是把霍尔电流传感器和霍尔电压传感器采集的模拟信号经过信号调理后转化为相应的数字信号。

同步锁相电路用于对信号调理电路的输出信号进行锁相处理，防止信号的采样失真。

DSP芯片对A/D转化器输出的数字信号进行预处理后后送给FPGA，FPGA对采集的数据进行并行FFT计算后再输出给DSP芯片进行后期的运算、通讯以及显示。

DSP芯片选用TI系列的TMS320F28035，这款DSP芯片内部除了具备一个28x的DSP内核外还具有一个浮点运算核CLA。选用这款芯片不仅可以利用28x处理各种通信和事件任务，而且可以通过CLA处理浮点等数据运算，非常适合于复杂信号的运算处理。

FPGA芯片采用Xilinx公司的XC3S500E型号的芯片，它内嵌了73k位的分布式RAM和360k位的BRAM资源，拥有10476个逻辑单元、1164个CLB，内嵌乘法器硬核高达20个，可以很好的满足FFT并行运算的要求。

人机交互界面的触摸屏显示装置采用威纶通科技有限公司生产的WEINVIEWTK6102i系列触摸屏，采用高度为400MHZ RISC CPU，搭配功能强大的EB8000组态软件，包含两个COM端口和一个USB2.0接口，功能强大，使用方便。

FFT运算硬件框架图如图2所示，由Butterfly运算模块、控制模块、存储器1、存储器2、存储器3和存储器4组成。传感器采集电网中的电流和电压信号后，通过信号调理电路和A/D转换后转变为相应的数字信号输入FPGA中，并在FPGA中进行并行FFT运算。存储器1的作用是存储Butterfly运算模块计算出的奇数极的结果，存储器2和3的作用是输入n时刻和n+t时刻的数据，存储器4的作用是存储N/2点旋转因子，控制模块的作用为产生控制信号。地址的产生是FFT运算过程中一个关键问题，存储器读写数据都要有对应相应的地址，控制模块中定义一个级数计数器和一个时钟计数器，计数器随着级数和时钟的增加而自加，完成一个FFT计算后自动清零。通过这两个计数器的移位和加减可以产生所有需求的地址。

信号调理电路如图3所示，信号调理电路的作用是把电压传感器和电流传感器检测到信号进行滤波处理，避免产生频率的混叠，保证FFT运算的结果；同时对滤波后的信号进行极性变换、电平变换，使得输出信号的电压符合A/D转换器能够接受的电压范围。信号调理电路由三个部分组成：最左边为电流采样电路，其目的是把传感器采样的电流信号转换为电压信号，R1为采样电阻，采样电阻与传感器输出电流信号的乘积即为相应的电压信号。在实际应用中，为了防止信号的失真，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理。因此设计了中间的抗混叠低通滤波电路，其目的要防止频率的混叠。最右边为电平提升电路，它的目的是将通过抗混叠滤波电路后的信号的电压提升为所需的电压信号范围，以保证后续A/D转换器的正常工作。根据运算放大器虚断和虚短的特点可以得出其输出电压。

本发明专利提供的一种基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，其通过FFT变化进行谐波的分析处理，并把分析处理的结果进行显示，当谐波异常时报警提醒相关人员进行处理。该系统可以很好的对电力系统的谐波进行监测，可以很好的降低因谐波过高造成的事故，提高了船舶航行的可靠性和安全性。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，其特征在于：所述系统包括电流传感器、电压传感器、信号调理电路、A/D转化器、DSP芯片和FPGA芯片；所述电流传感器用于采集电力推进系统的电流信号；所述电压传感器用于采集电力推进系统的电压信号；所述信号调理电路用于对采集的电流信号和电压信号进行滤波处理和极性变换、电平变换；所述A/D转化器用于将经过滤波处理后的电流信号和电压信号转化为电流数字信号和电压数字信号；所述DSP芯片用于对电流数字信号和电压数字信号进行预处理后发送至FPGA芯片，并对FPGA芯片处理后的信号进行后期运算并输出，谐波异常时发出报警。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，其特征在于：所述FPGA芯片用于对输入的数字信号进行FFT运算。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，其特征在于：所述信号调理电路包括电流采样电路、抗混叠低通滤波电路和电平提升电路。

4.根据权利要求2所述的基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，其特征在于：所述FPGA芯片中FFT运算的硬件结构包括Butterfly运算模块、控制模块、存储器1、存储器2、存储器3、存储器4；所述Butterfly运算模块用于进行蝶形运算；所述存储器1用于存储Butterfly运算模块计算出的奇数极的结果，所述存储器2用于输入n时刻的数据，所述3用于输入n+t时刻的数据；所述存储器4用于存储N/2点旋转因子，所述控制模块用于产生控制信号。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，其特征在于：所述系统还包括同步锁相电路，用于对信号调理电路的输出信号进行锁相处理，防止信号的采样失真。

6.根据权利要求2所述的基于FPGA和DSP的电力推进船舶谐波监测系统，其特征在于：所述DSP芯片和FPGA芯片之间采用SPI通讯。