CN108020720A - 基于fpga的正弦信号实时解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号采集与处理领域，公布了一种基于FPGA的正弦信号有效值实时解算方法。本方法包括信号采集控制、正弦信号有效值解算及正弦信号频率计算三个功能模块，首先FPGA控制AD采集芯片按照特定的采样频率采集正弦信号，获取正弦信号数字量，完成数据实时采集过程，然后FPGA依据采集的正弦信号数字量实时解算出当前正弦信号的有效值，同时FPGA根据实时捕捉和计算出的正弦信号频率不断调整采样周期。本发明摒弃了对传统模拟电路和专用有效值计算芯片的使用，利用大规模可编程逻辑器件FPGA作为主控芯片，通过逻辑编程实现了对正弦信号的采集和有效值的数字解算，方法功耗低，可靠性高，且扩展性和可移植性强，易于技术维护和技术升级。
Description
技术领域
本发明属于信号采集与处理领域，涉及一种基于FPGA的正弦信号实时解算方法。
背景技术
常见的正弦信号通常通过利用电容、电感等元器件搭建模拟电路或采用专门的解算芯片进行有效值解算，然而模拟电路易受工况和元器件性能的影响，常常存在解算结果不稳和精度退化等问题，且在低功耗性能上不及数字电路，而专用解算芯片的使用在增加研发成本的同时，也降低了系统的任务可靠性。为了满足小型化、高集成化和数字化的信号采集和处理系统的发展需求，本发明提供的基于FPGA的正弦信号实时解算方法具有较好的可移植性和技术可扩展性。
发明内容
本发明目的：提供了一种可移植性强、可扩展性高、数字化的基于FPGA的正弦信号实时解算方法。
本发明的技术方案：
一种基于FPGA的正弦信号实时解算装置，包括信号采集控制模块、正弦信号有效值解算模块、正弦信号频率计算模块三部分，信号采集控制模块控制AD采集芯片，将模拟量转换成数字量，实现正弦信号模拟量向数字量的转换；正弦信号有效值解算模块依据采集的正弦信号数字量解算出正弦信号有效值；正弦信号频率计算模块依据采集的正弦信号数字量计算出正弦信号的频率，并送入信号采集控制模块，信号采集控制模块根据正弦信号频率实时调整采样周期。
一种基于FPGA的正弦信号实时解算方法中的信号采集控制模块根据正弦信号频率调整采样周期，并在FPGA内利用有限状态机控制AD采集芯片，确保在一个正弦信号整周期上以等时间间隔采集128个数据点。
一种基于FPGA的正弦信号实时解算方法中的正弦信号有效值解算模块接收采集的数据，并用128×16bit的寄存器空间以FIFO的方式存储采集数据的绝对值，对寄存器空间内的128个数据求平均，求得的均值结果再乘以系数即为正弦信号有效值，FIFO每接收一个新的数据，正弦信号有效值解算模块输出一次正弦信号有效值求解结果。
一种基于FPGA的正弦信号实时解算方法中的正弦信号频率计算模块接收采集的数据，并捕捉信号过零点时刻，以FPGA基准时钟为基本时间单位，通过计时正弦信号过零点的时间确定对应的正弦信号的频率，并将结果送入信号采集控制模块。
一种基于FPGA的正弦信号实时解算方法，包括以下步骤：
步骤1：调整采样频率
所述信号采集控制模块如图2所示，采用有限状态机进行模块构建，t1～t5为状态转换时刻，其中t1～t4由选用的AD采集芯片要求的具体控制时序决定，t5则由正弦信号频率计算模块反馈的正弦信号频率Fre_DB决定，即t5＝Fre_DB>>7。
步骤2：信号采集
如图2所示，信号采集控制模块通过有限状态机状态切换完成信号采集过程。首先，FPGA上电初始化后，启动定时器，在t1时刻置位复位信号，对AD采集芯片进行初始化复位，然后在t2时刻置位模数转换信号F_CONVST，启动AD采集芯片进行模数转换，模数转换完成后，在t3时刻置位片选信号F_CS，片选AD采集芯片，在t4时刻置位读信号F_RD，从AD采集芯片的数据输出端读取数据AD_DB，并分别将数据送向正弦信号有效值解算模块和正弦信号频率计算模块，最后在t5时刻清零定时器，准备转入AD转换状态，进行下一次的循环采样。
步骤3：解算正弦信号有效值
所述正弦信号有效值解算模块如图3所示，本模块依据的基本数学原理是一个周期正弦信号的绝对值的平均值与该正弦信号的有效值成常系数关系。模块中采用一个128深度的存储空间，通过FIFO方式缓存128个采样数据的绝对值。首先信号采集控制模块每完成一次数据采集，正弦信号有效值解算模块就接收一次信号采集控制模块送入的新数据，然后正弦信号有效值解算模块通过求原码和更改符号位的方式获得新数据的绝对值，并将该绝对值装载入FIFO中，同时FIFO剔除存储空间中最早期的数据，使得FIFO完成一次数据更新，最后FPGA对FIFO中的数累加后再右移7位，获得正弦信号绝对值的平均值，该平均值乘上常系数即为正弦信号有效值。
步骤4：频率反馈
所述正弦信号频率计算模块如图4所示，信号采集控制模块每完成一次数据采集，正弦信号频率计算模块就接收一次信号采集控制模块送入的新数据，首先正弦信号频率计算模块检测新数据的符号位，并将该次数据的符号位进行寄存，当检测到当前符号位为0，而前一次寄存的符号位为1时，则判定当前数据为采集数据由负值转为正值的过零点数据，并启动定时器，然后通过相同的方式捕捉下一次采集数据由负值转为正值的时刻，并寄存当前定时器数值，同时定时器清零，准备下一个循环的频率计算，最后将当前寄存的定时器数值Fre_DB作为正弦信号频率的表征值送入信号采集控制模块。
本发明的优点：本发明以大规模可编程逻辑器件FPGA为基本平台，实现了对正弦信号的采集和有效值数字解算，避免了模拟电路和专用解算芯片的使用，集成度高，功耗低，可移植性和扩展性强。
附图说明
图1基于FPGA的正弦信号有效值实时解算方法；
图2信号采集控制模块；
图3正弦信号有效值解算模块；
图4正弦信号频率计算模块；
具体实施方式
为更好的说明本发明，下面结合附图具体说明。
请参阅图1～图4，其是本发明所述基于FPGA的正弦信号有效值实时解算方法的示意图。
一种基于FPGA的正弦信号有效值实时解算装置，如图1所示，其包括信号采集控制模块、正弦信号有效值解算模块及正弦信号频率计算模块三个部分。其中信号采集控制模块控制AD采集芯片完成信号的采集，实现正弦信号模拟量向数字量的转换；正弦信号有效值解算模块根据采集的正弦信号数字量解算出正弦信号有效值；正弦信号频率计算模块根据采集的正弦信号数字量计算出信号频率，并送入正弦信号采集模块，实时调整采样周期。
基于FPGA的正弦信号有效值实时解算方法的详细过程如下：
步骤1：调整采样频率
所述信号采集控制模块如图2所示，采用有限状态机进行模块构建，t1～t5为状态转换时刻，其中t1～t4由选用的AD采集芯片要求的具体控制时序决定，t5则由正弦信号频率计算模块反馈的正弦信号频率Fre_DB决定，即t5＝Fre_DB>>7。
步骤2：信号采集
如图2所示，信号采集控制模块通过有限状态机状态切换完成信号采集过程。首先，FPGA上电初始化后，启动定时器，在t1时刻置位复位信号，对AD采集芯片进行初始化复位，然后在t2时刻置位模数转换信号F_CONVST，启动AD采集芯片进行模数转换，模数转换完成后，在t3时刻置位片选信号F_CS，片选AD采集芯片，在t4时刻置位读信号F_RD，从AD采集芯片的数据输出端读取数据AD_DB，并分别将数据送向正弦信号有效值解算模块和正弦信号频率计算模块，最后在t5时刻清零定时器，准备转入AD转换状态，进行下一次的循环采样。
步骤3：解算正弦信号有效值
所述正弦信号有效值解算模块如图3所示，本模块依据的基本数学原理是一个周期正弦信号的绝对值的平均值与该正弦信号的有效值成常系数关系。模块中采用一个128深度的存储空间，通过FIFO方式缓存128个采样数据的绝对值。首先信号采集控制模块每完成一次数据采集，正弦信号有效值解算模块就接收一次信号采集控制模块送入的新数据，然后正弦信号有效值解算模块通过求原码和更改符号位的方式获得新数据的绝对值，并将该绝对值装载入FIFO中，同时FIFO剔除存储空间中最早期的数据，使得FIFO完成一次数据更新，最后FPGA对FIFO中的数累加后再右移7位，获得正弦信号绝对值的平均值，该平均值乘上常系数即为正弦信号有效值。
步骤4：频率反馈
所述正弦信号频率计算模块如图4所示，信号采集控制模块每完成一次数据采集，正弦信号频率计算模块就接收一次信号采集控制模块送入的新数据，首先正弦信号频率计算模块检测新数据的符号位，并将该次数据的符号位进行寄存，当检测到当前符号位为0，而前一次寄存的符号位为1时，则判定当前数据为采集数据由负值转为正值的过零点数据，并启动定时器，然后通过相同的方式捕捉下一次采集数据由负值转为正值的时刻，并寄存当前定时器数值，同时定时器清零，准备下一个循环的频率计算，最后将当前寄存的定时器数值Fre_DB作为正弦信号频率的表征值送入信号采集控制模块。
本发明以大规模可编程逻辑器件FPGA为硬件平台，摒弃了对传统模拟电路和专用有效值计算芯片的使用，通过逻辑编程实现了对正弦信号的采集和有效值的数字解算，本方法提升了采集系统的集成度，降低了功耗，提高了可靠性，并且方法的扩展性和可移植性易于技术维护和技术升级。
Claims (5)
1.一种基于FPGA的正弦信号实时解算装置，其特征在于：包括信号采集控制模块、正弦信号有效值解算模块、正弦信号频率计算模块；信号采集控制模块控制AD采集芯片，将模拟量转换成数字量，实现正弦信号模拟量向数字量的转换；正弦信号有效值解算模块依据采集的正弦信号数字量解算出正弦信号有效值；正弦信号频率计算模块依据采集的正弦信号数字量计算出正弦信号的频率，并送入信号采集控制模块，信号采集控制模块根据正弦信号频率实时调整采样周期。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的正弦信号实时解算装置，其特征在于：信号采集控制模块根据正弦信号频率调整采样周期，并在FPGA内利用有限状态机控制AD采集芯片，确保在一个正弦信号整周期上以等时间间隔采集128个数据点。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的正弦信号实时解算装置，其特征在于：正弦信号有效值解算模块接收采集的数据，并用128×16bit的寄存器空间以FIFO的方式存储采集数据的绝对值，对寄存器空间内的128个数据求平均，求得的均值结果再乘以系数π√2/4即为正弦信号有效值，FIFO每接收一个新的数据，正弦信号有效值解算模块输出一次正弦信号有效值求解结果。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的正弦信号实时解算装置，其特征在于：正弦信号频率计算模块接收采集的数据，并捕捉信号过零点时刻，以FPGA基准时钟为基本时间单位，通过计时正弦信号过零点的时间确定对应的正弦信号的频率，并将结果送入信号采集控制模块。
5.一种基于FPGA的正弦信号实时解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调整采样频率
对信号采集控制模块采用有限状态机进行模块构建，t1～t5为状态转换时刻，其中t1～t4由选用的AD采集芯片要求的具体控制时序决定，t5则由正弦信号频率计算模块反馈的正弦信号频率Fre_DB决定，即t5＝Fre_DB>>7；
步骤2：信号采集
信号采集控制模块通过有限状态机状态切换完成信号采集过程；
首先，FPGA上电初始化后，启动定时器，在t1时刻置位复位信号，对AD采集芯片进行初始化复位；
然后在t2时刻置位模数转换信号F_CONVST，启动AD采集芯片进行模数转换；
模数转换完成后，在t3时刻置位片选信号F_CS，片选AD采集芯片，在t4时刻置位读信号F_RD，从AD采集芯片的数据输出端读取数据AD_DB，并分别将数据送向正弦信号有效值解算模块和正弦信号频率计算模块；
最后在t5时刻清零定时器，准备转入AD转换状态，进行下一次的循环采样；
步骤3：解算正弦信号有效值
首先信号采集控制模块每完成一次数据采集，正弦信号有效值解算模块就接收一次信号采集控制模块送入的新数据；
然后正弦信号有效值解算模块通过求原码和更改符号位的方式获得新数据的绝对值，并将该绝对值装载入FIFO中，同时FIFO剔除存储空间中最早期的数据，使得FIFO完成一次数据更新；
最后FPGA对FIFO中的数累加后再右移7位，获得正弦信号绝对值的平均值，该平均值乘上常系数即为正弦信号有效值。
步骤4：频率反馈
信号采集控制模块每完成一次数据采集，正弦信号频率计算模块就接收一次信号采集控制模块送入的新数据，
首先正弦信号频率计算模块检测新数据的符号位，并将该次数据的符号位进行寄存，
当检测到当前符号位为0，而前一次寄存的符号位为1时，则判定当前数据为采集数据由负值转为正值的过零点数据，并启动定时器；
然后通过相同的方式捕捉下一次采集数据由负值转为正值的时刻，并寄存当前定时器数值，同时定时器清零，准备下一个循环的频率计算；
最后将当前寄存的定时器数值Fre_DB作为正弦信号频率的表征值送入信号采集控制模块。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110320405A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-11 | 厦门高瑞特电气自动化有限公司 | 一种超幅工频模拟量信号的采样方法和采样系统 |
| CN117741226A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 成都能斯特新材料科技有限公司 | 一种脉冲信号的有效值获取方法、系统、设备及介质 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1109607A (zh) * | 1993-06-25 | 1995-10-04 | 美国电报电话公司 | 计算正弦电压波形峰值或有效值的电路 |
| JP2008029107A (ja) * | 2006-07-20 | 2008-02-07 | Mels Corp | 正弦波実効値検出装置、及びそれを用いた正弦波電源装置 |
| CN201935967U (zh) * | 2010-12-10 | 2011-08-17 | 南京灿能电气自动化有限公司 | 基于fpga的高速电能质量处理单元 |
| CN102565751A (zh) * | 2012-01-17 | 2012-07-11 | 钜泉光电科技(上海)股份有限公司 | 可编程的单相电能计量芯片开发装置 |
| CN103149415A (zh) * | 2011-12-07 | 2013-06-12 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种高精度高频正弦波有效值实时检测方法 |
| CN104502674A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-08 | 漳州科华技术有限责任公司 | 一种三相电压有效值检测方法及检测装置 |
| CN105486919A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-04-13 | 南京信息工程大学 | 一种基于fpga的频率测量装置 |
| CN105974181A (zh) * | 2016-06-16 | 2016-09-28 | 武汉航达航空科技发展有限公司 | 基于fpga板卡技术的交流电压rms值快速检测方法 |
-
2017
- 2017-11-08 CN CN201711091097.1A patent/CN108020720A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1109607A (zh) * | 1993-06-25 | 1995-10-04 | 美国电报电话公司 | 计算正弦电压波形峰值或有效值的电路 |
| JP2008029107A (ja) * | 2006-07-20 | 2008-02-07 | Mels Corp | 正弦波実効値検出装置、及びそれを用いた正弦波電源装置 |
| CN201935967U (zh) * | 2010-12-10 | 2011-08-17 | 南京灿能电气自动化有限公司 | 基于fpga的高速电能质量处理单元 |
| CN103149415A (zh) * | 2011-12-07 | 2013-06-12 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种高精度高频正弦波有效值实时检测方法 |
| CN102565751A (zh) * | 2012-01-17 | 2012-07-11 | 钜泉光电科技(上海)股份有限公司 | 可编程的单相电能计量芯片开发装置 |
| CN104502674A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-08 | 漳州科华技术有限责任公司 | 一种三相电压有效值检测方法及检测装置 |
| CN105486919A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-04-13 | 南京信息工程大学 | 一种基于fpga的频率测量装置 |
| CN105974181A (zh) * | 2016-06-16 | 2016-09-28 | 武汉航达航空科技发展有限公司 | 基于fpga板卡技术的交流电压rms值快速检测方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 何金田: "《自动检测技术》", 31 December 2006, 西安电子科技大学出版社 * |
| 张嗣瀛等: "《2006中国控制与决策学术年会论文集》", 31 May 2006, 东北大学出版社 * |
| 闵永智等: "《电气测试技术》", 31 October 2017, 西安电子科技大学出版社 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110320405A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-11 | 厦门高瑞特电气自动化有限公司 | 一种超幅工频模拟量信号的采样方法和采样系统 |
| CN110320405B (zh) * | 2019-07-05 | 2021-07-09 | 厦门高瑞特电气自动化有限公司 | 一种超幅工频模拟量信号的采样方法和采样系统 |
| CN117741226A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 成都能斯特新材料科技有限公司 | 一种脉冲信号的有效值获取方法、系统、设备及介质 |
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