[發明專利]一種基于FPGA和ARM9的電壓波動與閃變測試儀

在審

• 申請號: 202210005544.1
• 申請日: 2022-01-04
• 公開（公告）號: CN114384315A
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 許杏桃;沈海奉;徐小康;許杏明;王益明;沈正彬;嚴程偉;劉欣宇
• 申請（專利權）人: 江蘇安方電力科技有限公司
• 主分類號: G01R19/25
• 分類號: G01R19/25
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 文雯

本發明以嵌入式ARM9控制器和FPGA為處理核心，設計了手持式的電壓波動與閃變測試儀，可以同時測量多路交流電壓信號的短時閃變值P_st和長時閃變值P_lt。為了簡化運算過程，對電壓每半周波進行一次方均根值運算，并對得到的方均根值序列進行快速傅里葉變換，求解出各頻率下對應的瞬時閃變值，并利用概率大值法求解短時閃變。通過在FPGA中的2組存儲器交替接收數據，利用乒乓方式實現32位的FFT算法，可大幅提高運算速度與精度。實測結果表明，本測試儀對于方均根值計算精度達到2%，閃變測量精度達到2%。此軟硬件平臺可方便地擴展諧波與諧間波等其他電能質量測量應用，有較好的推廣價值。

技術領域

本發明屬于電子測量技術領域，涉及一種電能質量的監控裝置，尤其涉及一種基于FPGA和ARM9的電壓波動與閃變測試儀。

背景技術

隨著我國工業和國民經濟的快速發展，電網負荷急劇增加，特別是沖擊性、非線性負荷所占比重不斷加大，使得供電電壓發生波動和閃變，嚴重影響著電網的電能質量。目前，基于IEC61OOO-3-7標準給出的閃變測量原理的數字化閃變儀已經問世，但其測量方法復雜，成本較高。基于并聯濾波器的電壓閃變檢測方法需釆用2個并聯濾波器對頻譜進行分析和幅值跟隨，實現難度較大。基于虛擬儀器的平方檢測法對電壓閃變進行測量需要計算機進行配合，不便于實現手持式或安裝式應用。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種手持式的電壓波動與閃變測試儀，以FPGA和ARM為控制核心并結合FFT算法，可以實時、高精度地對多路電壓波動和閃變值進行測量，并可將電壓方均根值曲線記錄儲存，方便査閱與分析，并保證較高的測量精度。

一種基于FPGA和ARM9的電壓波動與閃變測試儀，包括信號預處理電路，同步A/D轉換器，FPGA和ARM微控制器系統；

通過信號預處理電路檢測并處理4路交流電壓信號，然后通過FPGA進行前期運算和AD轉換電路轉換處理后傳輸給ARM控制系統進行后期運算，實現人機交互及網絡通信功能；

所述的信號預處理電路，由電壓互感器、模擬開關與運放組成的可調放大電路、以及RC低通濾波器組成，將被測電壓信號變換為適合A/D量程的信號，且濾除高頻成分；

所述FPGA，其內部含有43661個邏輯單元、2088Kb的塊RAM數量、以及401Kb的分布式RAM，該器件提供218個I/O；FPGA負責控制A/D轉換器進行采樣，并根據ARM9的指令控制模擬開關對量程進行切換，采樣鍵盤動作并將按鍵編碼傳給ARM控制器；

測試儀的核心運算由該FPGA完成，包括半波有效值計算和FFT變換，并將運算結果及波形數據傳給ARM控制器進行后續處理；

所述A/D轉換器，具有4通道同時采樣功能，其采樣速率最髙為200KSPS.16位精度，有串行和并行2種輸出方式，選±5V或±10V輸入范圍用于擴展相位差測量功能，采用并口方式與FPGA連接，并選擇±5V輸入范圍，A/D轉換器的數據與控制總線與FPGA的I/O直連；

所述ARM控制系統，運行速度為200MHz，作為系統的控制核心，完成了操作系統初始化及各任務分配，并且對FFT的結果進行后期運算，以獲得電壓波動與閃變的最終結果。

進一步地，信號預處理電路中，電壓互感器選用2mA：2mA的微型互感器，可調放大電路由軌對軌集成運算放大器和4路模擬開關組成，提供4檔放大倍數，以提高電壓的測量范圍，RC低通濾波截止頻率選為3000Hz。

進一步地，FPGA與ARM的連接采用總線接口，使用IP核工具在FPGA內部使用塊RAM生成一個4KB的FIFO，用來在FPGA和ARM之間傳輸數據。