基于FPGA芯片實現(xiàn)水輪機組轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計

隨著工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大型水輪機組的自動化水平也在不斷提高。而這些設(shè)備一旦發(fā)生故障，將會給人們的生活和生命財產(chǎn)造成極大的威脅。因此，對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障征兆具有重要意義。現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ，Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ ）的出現(xiàn)是超大規(guī)模集成電路和計算機輔助設(shè)計技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。它具有集成度高、多功能、低功耗、開發(fā)周期短等特點，而且可以很方便地對設(shè)計進行在線修改，因此獲得了廣大用戶的青睞，應(yīng)用范圍也越來越廣。本文首先介紹了ＡＬＴＥＲＡ公司推出的低價位、高性能ＣＹＣＬＯＮＥ系列ＦＰＧＡ器件ＥＰ１Ｃ６Ｑ的特點和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合在水輪機組狀態(tài)監(jiān)測開發(fā)系統(tǒng)中遇到的實際問題，給出了相應(yīng)的解決方案，最后就開發(fā)過程中遇到的一些實際問題，提出了自己的看法。

１、ＥＰ１Ｃ６Ｑ的結(jié)構(gòu)特點

ＥＰ１Ｃ６Ｑ是ＡＬＴＥＲＡ公司低價位ＣＹＣＬＯＮＥ系列ＦＰＧＡ的一種。它采用１．５Ｖ內(nèi)核電壓，內(nèi)嵌９２１０６位存儲區(qū)間，可提供兩個鎖相環(huán)和雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率（ＤＤＲ）的接口電路。其具體特點如下：

●采用２４０個引腳的ＦＰＱＦ封裝形式，能提供１８５個ＩＯ用戶引腳和５９８０個邏輯單元。

●具有２０個４６０８位的ＲＡＭ存儲區(qū)，最高可支持２００ＭＨｚ的數(shù)據(jù)傳輸。每個存儲區(qū)均包括單口或雙口ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＦＩＦＯ等各類存儲器件，并支持８位、１６位、３２位、３６位等數(shù)據(jù)存儲類型。

●片上的鎖相環(huán)電路可以提供輸入時鐘的１～３２分頻或倍頻、１５６～４１７ｐｓ移相或可變占空比的時鐘輸出，輸出時鐘信號的特性可直接在開發(fā)軟件ＱＵＡＲＴＵＳ２里設(shè)定。經(jīng)過鎖相環(huán)輸出的時鐘信號既可以作為內(nèi)部的全局時鐘，也可以輸出到片外供其它電路使用。

●多功能的ＩＯ結(jié)構(gòu)支持差分和單端輸入，并與３．３Ｖ、３２位、６６ＭＨｚ的ＰＣＩ局部總線兼容；ＩＯ輸出可以根據(jù)需要調(diào)整驅(qū)動能力，并具有壓擺率控制、三態(tài)緩沖、總線狀態(tài)保持等功能；整個器件的ＩＯ引腳分為四個區(qū)，每一個區(qū)可以獨立采用不同的輸入電壓，并可提供不同電壓等級的ＩＯ輸出。

２、在水輪機組轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用

水輪機組的工作效率是系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測中的一項重要指標(biāo)，而機組的工作效率與當(dāng)前時刻的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。轉(zhuǎn)速測量的關(guān)鍵是對六十五路脈沖信號周期的測量。采用了ＥＰ１Ｃ６Ｑ器件內(nèi)部的６５個計數(shù)器同時工作的測量方法。

２．１ 水輪機組轉(zhuǎn)速測量原理

該水輪機組轉(zhuǎn)速測量裝置如圖１所示，它由六十五個微型機械傳感器組成，其中六十四個傳感器分布在對稱的四個轉(zhuǎn)軸上，第六十五個傳感器在軸的中心交點。流經(jīng)管道的水流將帶動傳感器的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)一周后，觸發(fā)電子線路產(chǎn)生一個脈沖信號。管道中水流的速度越快，脈沖信號的間隔越短；管道中水流的速度越慢，脈沖信號的間隔越長。這樣？就可以根據(jù)脈沖信號的間隔或者說兩個信號上升沿的時間長短來計算流速的大小，從而依據(jù)相應(yīng)的公式計算水輪機組轉(zhuǎn)速的大小。

２．２ 整體設(shè)計方案及工作原理

該水輪機組系統(tǒng)設(shè)計方案的整體框圖如圖２所示。水輪機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用ＬｏｎＷｏｒｋｓ現(xiàn)場總線技術(shù)，神經(jīng)元芯片是構(gòu)成系統(tǒng)采集節(jié)點的核心，它內(nèi)部包括三個微處理器，即ＭＡＣ處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器、應(yīng)用處理器，而１１個輸入／輸出引腳則可根據(jù)不同的外部設(shè)備來靈活配置。收發(fā)器是節(jié)點之間通信的橋梁。

由于水輪機組轉(zhuǎn)速比較慢，傳感器發(fā)出的脈沖信號的時間間隔較長？因此？對緩變信號周期的測量應(yīng)采用測周的辦法。首先是將輸入的脈沖信號經(jīng)去抖、限幅后變成符合ＥＰ１Ｃ６Ｑ輸入信號特性要求的信號，然后當(dāng)ＥＰ１Ｃ６Ｑ接到神經(jīng)元信號的測量命令后，再捕捉輸入信號的上升沿。為了保證所有的通道在神經(jīng)元芯片讀取數(shù)據(jù)之前已經(jīng)鎖存，讀取數(shù)據(jù)的時間間隔應(yīng)保證不小于兩個信號周期。神經(jīng)元芯片將每個通道的計數(shù)值存儲到片內(nèi)ＲＡＭ區(qū)，并將計算得到的轉(zhuǎn)速值送到信號處理模塊，以計算水輪機組的工作效率。由于流速測量傳感器的分布特點是邊緣傳感器的信號周期比內(nèi)部傳感器的信號周期長，因此，筆者選擇一個最靠邊的傳感器作為標(biāo)志傳感器，并由標(biāo)志傳感器產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)志位信號。

２．３ 硬件實現(xiàn)

（１） 信號調(diào)理電路

由于ＥＰ１Ｃ６Ｑ輸入／輸出邏輯高電平僅能支持４．１Ｖ，而不能直接與標(biāo)準的ＴＴＬ電平信號相連，因此，神經(jīng)元芯片和ＥＰ１Ｃ６Ｑ之間的連接以及脈沖輸入電路都必須加限幅電路。芯片的設(shè)計已經(jīng)考慮到與５Ｖ設(shè)備的連接問題，其解決方法是在連接線路中串接一個１６２Ω電阻。

（２） ＥＰ１Ｃ６Ｑ和神經(jīng)元間的物理連接

在轉(zhuǎn)速測量模塊中，ＥＰ１Ｃ６Ｑ主要起信號邊沿檢測、脈寬測量以及實現(xiàn)神經(jīng)元芯片外圍邏輯電路的作用。由于許多功能是在ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部利用軟件實現(xiàn)的，所以二者之間的連接很簡單?？刂?a target="_blank">信息的傳遞主要有兩個途徑：一是通過神經(jīng)元芯片的Ｉ／Ｏ引腳，由于Ｉ／Ｏ引腳較長的建立時間會影響系統(tǒng)的實時性，因此，設(shè)計電路僅使用ＩＯ０、ＩＯ１兩個通道來作為整個系統(tǒng)的異步清零（ｃｌｒ）和讀取數(shù)據(jù)標(biāo)志（ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ）；另外一個途徑是通過神經(jīng)元芯片的數(shù)據(jù)總線（Ｄ０～Ｄ７）和地址總線？Ａ０～Ａ１５？，即在ＥＰ１Ｃ６Ｑ的內(nèi)部設(shè)立狀態(tài)寄存器，并由神經(jīng)元芯片向寄存器中寫入不同的數(shù)據(jù)，然后由寄存器根據(jù)寫入的數(shù)據(jù)來使相應(yīng)的控制信號有效。

２．４ 軟件設(shè)計

ａ．ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部程序

ＥＰ１Ｃ６Ｑ的內(nèi)部程序是在ＱＵＡＲＴＵＳ２開發(fā)軟件中實現(xiàn)的。ＱＵＡＲＴＵＳ２能夠支持原理圖輸入和硬件描述語言兩種編程方式。整個程序包括譯碼電路、分頻電路、計數(shù)控制電路、計數(shù)器模塊和數(shù)據(jù)的鎖存和讀取等五個部分。具體如下：

（１）計數(shù)控制電路

ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部的程序是在神經(jīng)元芯片的控制下運行的。其控制部分電路如圖３所示。信號ｆｉｎ代表六十五路脈沖輸入信號的一路，ｃｌｋ０代表標(biāo)準的計數(shù)時鐘。在ｃｌｒ信號由低電平變?yōu)楦唠娖?、且ｓｔａｒｔ置為高電平后，脈沖信號ｆｉｎ輸入有效。當(dāng)?shù)谝粋€上升沿到來后，計數(shù)器的ＰＵＬ引腳變?yōu)楦唠娖剑藭r，計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)?shù)诙€上升沿到來后，ＰＵＬ變?yōu)榈碗娖剑嫈?shù)器停止計數(shù)；而當(dāng)?shù)谌齻€上升沿到來后，ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ信號變高電平，數(shù)據(jù)鎖存。

（２）計數(shù)器的設(shè)計

由于水輪機組的轉(zhuǎn)速比較慢，產(chǎn)生的脈沖信號頻率一般在０．０１Ｈｚ～１０Ｈｚ之間，因此，轉(zhuǎn)速快和轉(zhuǎn)速慢時的信號周期差別比較大。為滿足±１／１００００個計數(shù)時鐘的精度要求，計數(shù)器的計數(shù)位數(shù)應(yīng)設(shè)計為２０位。計數(shù)器的最大設(shè)定值為１００００００，這樣，當(dāng)脈沖信號周期在１０Ｈｚ～０．１Ｈｚ之間時，計數(shù)時鐘為１００ｋＨｚ；而當(dāng)脈沖信號的周期在０．１Ｈｚ～０．０１Ｈｚ之間時，計數(shù)時鐘自動轉(zhuǎn)換為１０ｋＨｚ。計數(shù)時鐘的自動切換是由計數(shù)器的溢出標(biāo)志控制的，當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)值超出設(shè)定的最大值（１００００００）后，溢出標(biāo)志由低電平變?yōu)楦唠娖?，這樣，經(jīng)過全局時鐘分頻計數(shù)的時鐘分頻次數(shù)也會相應(yīng)地擴大１０倍，從而保證了計數(shù)器不會再次溢出。

（３）狀態(tài)寄存器設(shè)計

為了減小神經(jīng)元芯片控制功能對ＩＯ引腳的依賴，ＥＰ１Ｃ６Ｑ在其內(nèi)部設(shè)立了兩個狀態(tài)寄存器。這兩個狀態(tài)寄存器可根據(jù)神經(jīng)元芯片寫入的控制字來使相應(yīng)的控制信號有效。使用的控制信號如下：

ｓｔａｒｔ：通過神經(jīng)元芯片要求ＥＰ１Ｃ６Ｑ進入信號采集狀態(tài)控制，高電平有效。

ｌｃｋ：數(shù)據(jù)鎖存信號，低電平有效。當(dāng)ＥＰ１Ｃ６Ｑ的輸出信號ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ有效后，神經(jīng)元芯片向狀態(tài)寄存器寫入命令字以使ｌｃｋ信號有效。為了保證所有通道的計數(shù)器已經(jīng)停止工作，神經(jīng)元芯片接收到ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ后將延遲ΔＴ時間后再鎖存計數(shù)器的數(shù)據(jù)。

ｈ１？ｈ２：計數(shù)值高八位、中八位、低八位的選擇控制。為了滿足系統(tǒng)要求的測量精度， ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部采用二十位計數(shù)器對每一路信號進行計數(shù)，而神經(jīng)元芯片的數(shù)據(jù)總線是八位，因此需要分三次讀出。

（４）譯碼電路設(shè)計

神經(jīng)元芯片一般采用內(nèi)存映象法進行數(shù)據(jù)的傳遞。所謂內(nèi)存映象法，是指給芯片外部的寄存器、存儲器或ＩＯ單元分配一個物理地址，以便于對外設(shè)操作，這相當(dāng)于對該物理地址的操作。譯碼電路主要提供ＦＬＡＳＨ、狀態(tài)寄存器和六十五個計數(shù)器的片選信號。系統(tǒng)的地址分配如下：

Ｅ８００～ＥＦＦＦ？數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用于保存各個通道的計數(shù)值。

００００～７ＦＦＦ？外圍ＦＬＡＳＨ區(qū)。

８０００～８０４０？六十五個計數(shù)器的內(nèi)存地址。

８０４１～８０４２？狀態(tài)寄存器的內(nèi)存地址。

８０４２～Ｅ７ＦＦ？用戶備用空間。

（５）分頻電路

計數(shù)器單元的計數(shù)時鐘是把輸入的全局時鐘分頻得到的。１２ＭＨｚ的有源晶振輸出通常可作為全局時鐘，分頻電路采用ＶＨＤＬ語言設(shè)計，分頻次數(shù)設(shè)定值的變換由計數(shù)器的溢出標(biāo)志控制。

ｂ．神經(jīng)元芯片的內(nèi)部編程

本編程設(shè)計主要用于完成與系統(tǒng)的同步和控制ＥＰ１Ｃ６Ｑ程序的運轉(zhuǎn)。當(dāng)接到信號處理模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)請求信號后，該程序?qū)樱牛校保茫叮褍?nèi)部程序并開始計數(shù)，以將最終的計數(shù)值讀到內(nèi)部ＲＡＭ區(qū)。

３、注意事項

在整個設(shè)計方案的實現(xiàn)過程中，應(yīng)仔細考慮以下兩點：

第一是芯片的選擇。與普通電路開發(fā)不同的是，本設(shè)計方案的前期編譯和仿真驗證不需要拘泥于某一具體型號的芯片，只要滿足方案所需的邏輯單元的數(shù)量、控制時序的精度和存儲區(qū)間的大小等要求，就可以在軟件開發(fā)工具中編譯仿真?？傻椒桨赋墒旌?，再考慮一些細節(jié)問題，如芯片以及所需電源和配置芯片是否容易買到，提供的ＩＯ接口類型是否滿足需要，芯片的封裝形式是否會影響到ＰＣＢ板的制作等問題。

第二是時序電路和組合電路的轉(zhuǎn)化。在一個系統(tǒng)中，時序電路和組合邏輯電路一般同時存在。兩種類型的電路都作為輸入時，為避免毛刺現(xiàn)象，可以在組合邏輯的輸入之前加Ｄ觸發(fā)器，以將組合邏輯電路轉(zhuǎn)化為時序電路。在多級時鐘系統(tǒng)中，為了滿足建立和保持時間的要求，往往需要在低頻時鐘信號驅(qū)動的邏輯電路的輸出端加一級高頻時鐘信號驅(qū)動的Ｄ觸發(fā)器，以實現(xiàn)時鐘之間的同步。但這樣做會增加輸入和輸出之間的時間延遲，嚴重時可能通不過編譯軟件的時序驗證。因此，可以將其轉(zhuǎn)化為簡單的組合邏輯電路，以使其比較容易實現(xiàn)。

４、結(jié)束語

該方案已經(jīng)通過了實驗驗證，測量結(jié)果能夠滿足設(shè)計要求?？紤]到成本問題，選擇的芯片不能與５Ｖ系統(tǒng)直接相連，這使得多路輸入信號給整個電路的設(shè)計帶來了一定的困難。如果排除這些因素，該方案還可以得到進一步的改善。

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