基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统

该信号的哪次谐波电压。如为FFFFH，表示DSP读到的是该通道信号的有效值；如果ADOR的值为0010H，那么，DSP读到的是该通道信号的2次谐波电压。

ADCR寄存器控制A/D采样的通道数的选择以及与A/D采样有关的寄存器的复位控制等，这也是考虑到系统的通用性而设计的：如000C表示采样第11路交流模拟量电压；0011则表示同时采样前六路信号等等。

第二部分为设计产生A/D与CD4051芯片的控制信号。如在图2中，在采样12路交流模拟量的情况下，FPGA需要产生7路控制信号，这7路控制信号应该满足一定的时序要求。图3给出了同时采样前六路信号时FPGA的控制信号时序。

Abcs2[0,1,2]总线信号实际上是多路开关通道选择的3个控制信号selA、selB、selC。需要说明的是，因为要进行修正，在对6路交流信号采样的同时，也对4051的+5V和AGND进行了采样，所以实际上测量的通道数为8路。

从图3可看出，abcs2[0,1,2]总线信号每19.531 25μs加1，每156.25μs重新循环一次，满足8路交流同步采样的要求。

从25μs时刻的局部放大图可以看出，当（23.6μs时刻）4051选择通道1时，ADS774的CS和R/C信号同时为低，延时0.5μs左右CE端出现上升沿（24.1μs），启动A/D转换，这符合ADS774的A/D转换时序。需要指出，如果CE端直接接高电平，那么，R/C的下降沿将直接启动A/D转换。之所以用两个信号来启动A/D转换，是为了减少A/D的误触发。考虑到4051的导通延时，所以在通道切换0，5μs后才启动A/D转换。图3中没有画出4051的INH信号，在采样前6路交流信号时，该信号一直为低。如果同时采样12路信号，那么，abcs2[0,1,2]总线信号每9.765 625μs加1，每78.125μs重新循环1次；INH信号每78.125μs电平变化1次，用来选择哪个4051导通。

第三部分为A/D输入数据缓冲区和数字滤波模块。A/D转换完成后，ADS774的引脚STS给FPGA输出转换完成信号（低电平）。FPGA接收这一信号后，将产生读ADS774的时序，把12位的A/D转换数据读入到数据缓冲区的二维数组datain(abcv)（sampn）中。Abcv为通道号，sampn表示周波信号中所采样的第几个点。将一个周期的12路信号采样完后，置标志ADFLAG为1，进行数据的滤波处理。首先，对datain(abcv)(sampn)的值进行修正；给定sampn，对前6路信号来说，datain(7)(sampn)存储的是AGND的A/D转换值，将datain(i)(sampn)减去datain(7)（sampn）的值存储在datamid(i)(sampn)中（i=1,…，6）。与此类似，后六路的采样值datain（i）(sampn)减去datain(15)(sampn)的值存储在datamid（i）(sampn)（i=8,…，14）。然后，给定abcv，对datamid(abcv)(j)(j=0,…，15)这16个点的数据进行FIR滤波，将FIR滤波后的数据存储在datamd(abcv)（sampn）数组中。

第四部分是均方根有效值计量和FFT谐波分析模块。输入的数据经过处理后，首先进行均方根有效值的计算。给定abcv，先求出datamd(abcv)(j)(j=0,…，15)这16个点的平方和，将其存储到datarsult(abcv)中。为了防止溢出，dataresult(abcv)定义28位的位矢量。然后把dataresult(abcv)中的数据进行平方的运算，结果存储在douts(i)中。开平方是利用函数sqt(a:std_logic_vector;b:integer)return std_logic_vector来实现的。a为要开方的全矢量数据；整数b用来定义输出位矢量的长度。该函数被封装成一个包（package），符合自顶向下（TopDown）的HDL语言设计思想。douts(i)是信号量，由赋值语句douts(i)<=sqt（dataresult (i);16）（i=0,…，15）可以分别求出12路信号的有效值。电压有效值和谐波分析完成以后，清ADFLAG为0。

第五部分为输出缓冲器单元。当DSP对FPGA产生读时序（FPGACS为低电平且RD下降沿来到时），FPGA根据DSP的低五位地址线A0～A4的值（对应于FPGA的chansel:std_logic_vector(4 downto 0)信号量），以及ADOR寄存器中的值，将相应的数据送到数据总线上。比如，若chansel为（00010）2，ADOR中的值为FFFFH，那么，FPGA就会将通道2的有效值douts(2送到数据总线上。

图3 FPGA的A/D控制信号时序图

3 对数字量的控制与管理

在图2系统中，假定要对16个负载进行管理，每个负载包括1个控制输出量和2个状态返回量，因此共有16路的数字量输出，32路的数字量输入。

FPGA对数字量的管理软件结构：

FPGA对数字量的控制管理也设置了三个16位的指令寄存器组。这三个指令寄存器的内部地址为03H、04H和05H.03H为开关量输出允许寄存器（KGER）；04H为跳闸闭合寄存器（KGCR）；05H为开关量开闭寄存器（KGIR）。

来自负载的总共32个状态反馈信号（DIN00、DIN01……DIN31）分成16组，分别接到FPGA的16个信号量dini上（i=1,2,…，15）。dini是长度为2的位矢量std_logic_vector(1 downto 0)，分别对应于1个负载的两个状态反馈位。FPGA用16个进程process(din1)、process(din1)……process(din15)来对输入数字量敏感。当dini的载位电平发生变化时，进程启动，FPGA结合MCU发送的控制指令，判断负载的状态，并记录在输出数据缓冲区中。输出数据缓冲区包括16个数据存储器,这16个数据存储器在FPGA内部的

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