采用FPGA實現(xiàn)發(fā)電機組頻率測量計的設(shè)計

1 引言
在現(xiàn)代社會中，電資源成為人們生活當中不可缺少的一部分，而發(fā)電機和電動機在電力系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。在很多場合，需要對電機組和電網(wǎng)的頻率進行測量。目前，頻率測量的電路系統(tǒng)很多，這里介紹一種數(shù)字電路測頻：基于FPGA的發(fā)電機組的頻率測量計。
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，以EDA為代表的數(shù)字電路設(shè)計發(fā)生很大變化。在設(shè)計方法上，已經(jīng)從“電路設(shè)計―硬件搭試―焊接”的傳統(tǒng)設(shè)計方式到“功能設(shè)計 ―軟件模擬―下載調(diào)試”的電子自動化設(shè)計模式。在這種狀況下，以硬件描述語言(Hardware Description Language)和邏輯綜合為基礎(chǔ)的自頂向下的電子設(shè)計方法得到迅速發(fā)展。Verilog HDL語言是目前應(yīng)用最廣泛的硬件描述語言，它是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，語法較為自由靈活、擁有廣泛的學(xué)習(xí)群體、資源比較豐富，且容易學(xué)簡單易懂。本文發(fā)電機組頻率測量計的設(shè)計是在Verilog hdl語言的基礎(chǔ)上展開的，源程序經(jīng)過Altera 公司的QuartusⅡ5.0軟件完成了綜合、仿真(功能仿真和時序仿真)，FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列) 選用的是Cyclone系列的EP1C3T144C6器件。

2 頻率測量電路
2.1頻率測量的總體電路
采用電壓互感器取來自于發(fā)電機組端電壓或電網(wǎng)電壓的測頻輸入信號，經(jīng)削波、濾波處理后，變成幅度基本不變的穩(wěn)定波形，經(jīng)放大電路將信號放大整形，再用電壓比較電路將具有正負幅值的方波變成只有正幅值的方波信號。然后，通過光電耦合器使FPGA的數(shù)字系統(tǒng)與輸入信號隔離。FPGA數(shù)字系統(tǒng)利用標準的1HZ信號對隔離后的方波信號的脈沖個數(shù)進行計數(shù)，得到信號的頻率數(shù)，該頻率數(shù)經(jīng)數(shù)碼管顯示。由于發(fā)電機組的頻率與發(fā)電機組端電壓有關(guān)系，可以從頻率的變化得到發(fā)電機組端電壓的變化。從系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，從中可以看出，該FPGA數(shù)字系統(tǒng)與輸入通道隔離，因而大大提高了系統(tǒng)硬件的抗干擾能力。

圖1 系統(tǒng)總體框圖
2.2頻率測量的原理
頻率測量的原理是計算每秒鐘待測信號的脈沖個數(shù)，也就是利用標準的1HZ (周期為1s) 脈寬信號對輸入的待測信號的脈沖進行計數(shù)，1秒計數(shù)結(jié)束后對采集到脈沖個數(shù)送到數(shù)碼管顯示。
測頻控制器有3個輸入信號：Samplefreq為標準的脈沖信號，Reset是復(fù)位控制信號，Start是開始測量信號；3個輸出信號： Endmeasure是結(jié)束測量信號(計數(shù)復(fù)位和轉(zhuǎn)換復(fù)位)，Gate是允許計數(shù)信號(即門控信號)，Enableconvert是開始轉(zhuǎn)換信號?？刂屏鞒淌窍葘︻l率計復(fù)位，再開始測量，在Samplefreq信號的上升沿，Gate信號使能使計數(shù)器開始工作，到Samplefreq的下一個上升沿， Gate反轉(zhuǎn)成低電平使計數(shù)器停止計數(shù)，同時Enableconvert使轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換二進制數(shù)(轉(zhuǎn)換時間低于1s)。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，十進制數(shù)經(jīng)過7段顯示譯碼器譯碼，然后在數(shù)碼管中顯示所測信號的頻率。由于Enableconvert信號的使用使數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，不會出現(xiàn)閃爍。進行下次測量之前要對頻率計進行復(fù)位，使數(shù)碼管的數(shù)字顯示清零，為下次顯示做準備。
本文設(shè)計的數(shù)字頻率計有六個模塊組成：測頻控制模塊(Control)、十分頻模塊(divfreq)、二進制計數(shù)器模塊(Counter)、鎖存器模塊(Latch)、二進制到十進制的轉(zhuǎn)換器模塊(Bit2Bcd)、7段顯示譯碼器模塊(Led_encoder)。