[实用新型]基于FPGA的高速电能质量处理单元

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于FPGA的高速电能质量处理单元，尤其是利用FPGA构成的电能质量前端数据并行处理单元，属于供电监测及嵌入式电子技术领域。

背景技术

当前针对电力系统的电能质量在线监测系统应用越来越广，国内外一批厂家针对市场需求开发了一系列电能质量在线监测装置，目前市场上所见的电能质量在线监测装置的信号采集及计算处理部分均采用DSP(数字信号处理器)来实现；例如：美国某公司采用ADI的ADSP21XX来实现信号采集及信号处理；国内厂家有采用TI的TMS320MS2812及TMS320MS6713来实现信号采集及处理的方案。

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。DSP芯片的优势在于其简单易用，适合用于一般通用的数字信号处理场合；目前，在全球电子市场中，针对大用量的信号处理领域，不断有厂家推出ASIC芯片解决方案，在提升性能的同时大幅降低了系统成本，例如，用于高清视频采集的H.264解决方案，采用ASIC芯片方案的成本比实现相同功能的DSP方案成本降低了4倍，同时使得软件开发工作量及难度大幅度降低，加快了产品的开发周期。

综上所述，DSP芯片的优势在于高速的数据处理能力，从宏观上看比较适合应用于电能质量在线监测装置中专门用于数据采集及数据处理。

但是，理论和实际应用表明，DSP芯片作为数据采集和处理仍然存在一定问题，主要是：

(1)无法实现多通道并行处理。虽然DSP芯片本身的处理速度极快，但仍然是基于流水线的操作，并不能在硬件上实现真正的并行处理。

(2)DSP的通讯接口部分功能非常弱。若需要在DSP与主处理单元之间交互数据往往需要借助于双端口RAM，而双端口RAM本身并不可能做到足够大，传输大数据量数据需要分多帧传输，传输效率极其低下，且增加了整体的系统成本。

(3)虽然具有快速的中断处理和硬件I/O支持，但具体的数据处理算法仍然依赖于软件编程，在处理上仍然存在一定的延时且响应速度受制于软件负荷。

(4)采样速度受限。由于不具备硬件自处理能力，其对模拟信号输入的采样速度受限，基于外部中断方式的采样或基于查询方式的采样均不可能做到很高，目前国际国内常见的采样率大都为256点/周波或128点/周波。

(5)DSP芯片内部存储空间较小，大量的数据交换导致整个系统效率低下。按电能质量监测国家标准及国际标准要求，数据窗为10个周波数据，而DSP芯片本身受制于工艺及成本，片内的SRAM空间一般不能大到足以支持对该数据窗进行存储，由此不得不将数据存储于片外存储器，处理时再从片外读入进行处理。而目前DSP芯片的外部存储器大都速度不高，整个处理单元的速度瓶颈存在于外部总线接口上，从而造成DSP的整体处理效率低下。

由此可见，基于DSP的电能质量数据采集和处理单元具有一些先天的局限性。

FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。