CN110336295B - 一种基于fpga软核的高压svg分相控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统，包括FPGA软核、PLL锁相环、逻辑信号处理模块，FPGA软核、PLL锁相环、逻辑信号处理模块集成为FPGA芯片；FPGA软核，用于运行软件代码，FPGA软核包括CPU、JTAG调试接口、RAM存储器、IO端口、EPCS控制器、系统总线；PLL锁相环对外部输入的时钟信号锁相倍频之后，为FPGA软核、逻辑信号处理模块提供工作时钟；逻辑信号处理模块包括PWM脉宽调制模块、编码发送模块TX、编码接收模块RX、保护处理模块和并行总线接口，用于与FPGA软核的CPU、存储器和外设控制器建立通讯联系，本发明使高压SVG分相控制系统的架构大幅度简化，实现了高压SVG分相控制系统软硬件可编程，提高了控制系统的抗干扰能力。

Description

一种基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统
技术领域
本发明涉及电力SVG设备控制领域，尤其涉及一种基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统。
背景技术
高压SVG（静止无功发生器）为现阶段电力系统最先进的无功补偿技术，高压SVG功率单元采用链式结构，每相由若干个功率单元级联组成。高压SVG每相级联的功率单元个数根据电网电压等级确定，如35kV星接SVG，每相有36-40个功率单元，如何产生如此多的功率单元的控制信号及手段是高压SVG分相控制系统的关键。
目前高压SVG分相控制系统主流的技术为“DSP+FPGA”，DSP如TMS320F2812、TMS320F28335、ADSP-21489。DSP虽然有丰富的外设及接口，但是也无法产生36-40个功率单元的控制信号，因此使用FPGA挂到DSP并行总线上，通过FPGA产生各功率单元的PWM信号，编码后通过串行通信发送给功率单元，同时通过FPGA接收各功率单元上传的串行通信编码，解析出各功率单元的母线电压、保护状态。DSP和FPGA使用的数量各厂家有所不同，但多控制芯片、大量的信号线，不仅使材料成本增加，还降低了控制系统的抗干扰能力，因此需要一种技术解决存在的问题。
发明内容
本发明提供一种架构简单、成本低廉、易于生产且软硬件可编程的基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统。
本发明解决其技术问题采用的技术方案为：一种基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统，包括FPGA软核、PLL锁相环、逻辑信号处理模块，FPGA软核、PLL锁相环、逻辑信号处理模块集成为FPGA芯片；所述FPGA软核，用于运行软件代码，所述FPGA软核为嵌入式处理器，FPGA软核包括CPU、JTAG调试接口、RAM存储器、IO端口、EPCS控制器、系统总线；所述PLL锁相环对外部输入的时钟信号锁相倍频之后，为FPGA软核、逻辑信号处理模块提供工作时钟；所述的逻辑信号处理模块包括PWM脉宽调制模块、编码发送模块TX、编码接收模块RX、保护处理模块和并行总线接口，所述逻辑信号处理模块通过并行总线接口与FPGA软核的系统总线连接，形成FPGA软核的片内外设，用于与FPGA软核的CPU、存储器和外设控制器建立通讯联系。
所述的PLL锁相环与FPGA芯片外部的晶振连接，PLL锁相环的输出分别与FPGA软核和逻辑信号处理模块的信号输入端连接；所述CPU的输出端与JTAG调试接口连接，CPU的输出通过并行接口与系统总线连接；所述EPCS控制器的输入端通过SPI接口与FPGA芯片外部的Flash存储器连接，EPCS控制器的输出端通过并行接口与系统总线连接；IO端口通过并行接口与系统总线连接，IO端口通过内部硬连线连接到FPGA芯片的管脚；所述RAM存储器通过并行接口连接到系统总线
所述编码接收模块RX包括n路编码接收模块RX1、……、RXn，所述编码接收模块RX为功率单元数据串行通信接口，n路编码接收模块RX的输入端与FPGA芯片的管脚连接，n路编码接收模块RX的母线电压Un输出端与并行总线接口连接，n路编码接收模块RX的故障状态输出端与保护处理模块的输入端连接；保护处理模块的输出端与并行总线接口连接，编码接收模块RX能够根据功率单元的数量、FPGA的逻辑资源进行调整。
所述编码发送模块TX包括n路编码发送模块TX1、……、TXn，所述编码发送模块TX为PWM编码串行通信接口，所述PWM脉宽调制模块包括n个脉宽调制子模块PWM1、……、PWMn，PWM脉宽调制模块的输入端与并行总线接口连接，n个脉宽调制子模块PWM1、……、PWMn的输出端分别与编码发送模块TX1、……、TXn的输入端相应连接，编码发送模块TX1、……、TXn的输出端与FPGA芯片的管脚连接，编码发送模块TX和PWM脉宽调制模块能够根据功率单元的数量、FPGA的逻辑资源进行调整。
本发明的有益效果是，在满足高压SVG分相控制系统控制需求的情况下，用单片FPGA实现高压SVG分相控制系统，不仅使高压SVG分相控制系统的架构大幅度简化，还实现了高压SVG分相控制系统软硬件可编程，本发明只使用单片FPGA，控制系统架构简化的同时，使成本降低，另外节省了控制芯片之间的大量连线，提高了控制系统的抗干扰能力。
附图说明
以下结合附图对发明做进一步详细描述。
附图1是本发明高压SVG分相控制系统架构示意图；
附图2是本发明高压SVG专用的逻辑信号处理模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2及具体实施例对本发明的技术方案进行更清楚、完整地描述，然而所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统，如图1所示，包括FPGA软核、PLL锁相环、逻辑信号处理模块，FPGA软核、PLL锁相环、逻辑信号处理模块集成为FPGA芯片；所述FPGA软核，用于运行软件代码，所述FPGA软核为嵌入式处理器，FPGA软核包括CPU、JTAG调试接口、RAM存储器、IO端口、EPCS控制器、系统总线；所述PLL锁相环对外部输入的时钟信号锁相倍频之后，为FPGA软核、逻辑信号处理模块提供工作时钟；所述的逻辑信号处理模块包括PWM脉宽调制模块、编码发送模块TX、编码接收模块RX、保护处理模块和并行总线接口，所述逻辑信号处理模块通过其他并行总线接口与FPGA软核的系统总线连接，形成FPGA软核的片内外设，用于与FPGA软核的CPU、存储器和外设控制器建立通讯联系。
优选地，所述的PLL锁相环与FPGA芯片外部的晶振连接，PLL锁相环的输出分别与软核和逻辑信号处理模块的信号输入端连接；所述CPU的寄存器输出端与JTAG调试接口连接，CPU的输出通过并行接口与系统总线连接；所述EPCS控制器的输入端通过SPI接口与FPGA芯片外部的Flash存储器连接，EPCS控制器的输出端通过并行接口与系统总线连接；IO端口通过并行接口与系统总线连接，IO端口通过内部硬连线连接到FPGA芯片的管脚；所述RAM存储器通过并行接口连接到系统总线
如图2所示，所述编码接收模块RX包括n路编码接收模块RX1、……、RXn，所述编码接收模块RX为功率单元数据串行通信接口，n路编码接收模块RX的输入端与FPGA芯片的管脚连接，n路编码接收模块RX的母线电压Un输出端与并行总线接口连接，n路编码接收模块RX的故障状态输出端与保护处理模块的输入端连接；保护处理模块的输出端与并行总线接口连接，编码接收模块RX能够根据功率单元的数量、FPGA的逻辑资源进行调整。
所述编码发送模块TX包括n路编码发送模块TX1、……、TXn，所述编码发送模块TX为PWM编码串行通信接口，所述PWM脉宽调制模块包括n个脉宽调制子模块PWM1、……、PWMn，PWM脉宽调制模块的输入端与并行总线接口连接，n个脉宽调制子模块PWM1、……、PWMn的输出端分别与编码发送模块TX1、……、TXn的输入端相应连接，编码发送模块TX1、……、TXn的输出端与FPGA芯片的管脚连接，编码发送模块TX和PWM脉宽调制模块能够根据功率单元的数量、FPGA的逻辑资源进行调整。
本发明实施例使用ALTERA公司的FPGA芯片，ALTERA公司的QUARTUS II和SOPC开发工具，设计基于FPGA软核的硬件平台，包括软核的CPU定制、CPU各种外设的定制（存储器RAM、EPCS控制器epcs_control、JTAG调试接口jtag_debugging、IO端口IP_PORT），以及用户功能模块的定制（逻辑信号处理模块digital_signal_pro）。在FPGA软核的硬件平台开发完成之后，利用ALTERA公司的NIOSII IDE开发工具加载设计的硬件平台，在硬件平台的基础之上再进行控制系统的软件设计，如功率单元均压控制算法、各功率单元调制波计算。
本发明使用单片FPGA软核实现高压SVG分相控制系统，FPGA芯片的外围走线只剩下与功率单元和主控系统的通信线，大幅度简化高压SVG分相控制系统的架构；本发明FPGA软核选择一般规格的FPGA即可实现，目前型号EP4CE30F23I7N，市场价格约一片180元人民币，而DSP+FPGA高压SVG分相控制系统中型号为TMS320F28335的DSP价格一片约75元人民币，型号为EP3C16E144I7N的FPGA价格一片约158元人民币，DSP+FPGA合计233元人民币，也就是说仅从软核上成本实现节约，另外优化了控制系统的架构，节省通信线路。
作为本发明的另一个实施例，在FPGA芯片上设置有多个FPGA软核、定制硬件加速器、定制指令集等，能够达到更高的性能指标，FPGA芯片上还设置有SCI片内外设、SPI片内外设等，能够根据需要通过编程轻松集成专用的功能外设，采用FPGA软核既能够像传统的处理器，通过C或C++语言编程实现不同的控制功能，还能够根据控制系统的需要，通过编程实现定制的CPU处理器。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统，其特征在于，包括FPGA软核、PLL锁相环、逻辑信号处理模块，FPGA软核、PLL锁相环、逻辑信号处理模块集成为FPGA芯片；
所述FPGA软核，用于运行软件代码，所述FPGA软核为嵌入式处理器，FPGA软核包括CPU、JTAG调试接口、RAM存储器、IO端口、EPCS控制器、系统总线；
所述PLL锁相环对外部输入的时钟信号锁相倍频之后，为FPGA软核、逻辑信号处理模块提供工作时钟；
所述的逻辑信号处理模块包括PWM脉宽调制模块、编码发送模块TX、编码接收模块RX、保护处理模块和并行总线接口，所述逻辑信号处理模块通过并行总线接口与FPGA软核的系统总线连接，形成FPGA软核的片内外设，用于与FPGA软核的CPU、存储器和外设控制器建立通讯联系；
所述的PLL锁相环与FPGA芯片外部的晶振连接，PLL锁相环的输出分别与FPGA软核和逻辑信号处理模块的信号输入端连接；所述CPU输出端与JTAG调试接口连接，CPU的输出通过并行接口与系统总线连接；所述EPCS控制器的输入端通过SPI接口与FPGA芯片外部的Flash存储器连接，EPCS控制器的输出端通过并行接口与系统总线连接；IO端口通过并行接口与系统总线连接，IO端口通过内部硬连线连接到FPGA芯片的管脚；所述RAM存储器通过并行接口连接到系统总线。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统，其特征在于，所述编码接收模块RX包括n路编码接收模块RX1、……、RXn，所述编码接收模块RX为功率单元数据串行通信接口，n路编码接收模块RX的输入端与FPGA芯片的管脚连接，n路编码接收模块RX的母线电压Un输出端与并行总线接口连接，n路编码接收模块RX的故障状态输出端与保护处理模块的输入端连接；保护处理模块的输出端与并行总线接口连接，编码接收模块RX能够根据功率单元的数量、FPGA的逻辑资源进行调整。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA软核的高压SVG分相控制系统，其特征在于，所述编码发送模块TX包括n路编码发送模块TX1、……、TXn，所述编码发送模块TX为PWM编码串行通信接口，所述PWM脉宽调制模块包括n个脉宽调制子模块PWM1、……、PWMn，PWM脉宽调制模块的输入端与并行总线接口连接，n个脉宽调制子模块PWM1、……、PWMn的输出端分别与编码发送模块TX1、……、TXn的输入端相应连接，编码发送模块TX1、……、TXn的输出端与FPGA芯片的管脚连接，编码发送模块TX和PWM脉宽调制模块能够根据功率单元的数量、FPGA的逻辑资源进行调整。
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