EP1C6Q在水轮机组转速测量中的应用

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增大字体作者：佚名来源：本站整理发布时间：2009-01-11 00:02:25

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摘要：状态监测系统在工业现场控制中已受到越来越多的重视。文章结合在开发基于现场总线技术的状态监测系统中遇到的实际问题，提出了一种采用现场可编程门阵列（FPGA）器件EP1C6Q设计的水轮机组转速测量系统的实现方案，并给出了详细的电路组成结构。最后就方案实现过程中遇到的问题提出了一些应注意的事项。

关键词：状态监测；现场总线；现场可编程门阵列；EP1C6Q

随着工业生产与科学技术的发展，大型水轮机组的自动化水平也在不断提高。而这些设备一旦发生故障，将会给人们的生活和生命财产造成极大的威胁。因此，对其运行状态进行监测，及时发现故障征兆具有重要意义。现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ，ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）的出现是超大规模集成电路和计算机辅助设计技术发展的结果。它具有集成度高、多功能、低功耗、开发周期短等特点，而且可以很方便地对设计进行在线修改，因此获得了广大用户的青睐，应用范围也越来越广。本文首先介绍了ＡＬＴＥＲＡ公司推出的低价位、高性能ＣＹＣＬＯＮＥ系列ＦＰＧＡ器件ＥＰ１Ｃ６Ｑ的特点和内部结构，然后结合在水轮机组状态监测开发系统中遇到的实际问题，给出了相应的解决方案，最后就开发过程中遇到的一些实际问题，提出了笔者自己的看法。

１　ＥＰ１Ｃ６Ｑ的结构特点

ＥＰ１Ｃ６Ｑ是ＡＬＴＥＲＡ公司低价位ＣＹＣＬＯＮＥ系列ＦＰＧＡ的一种。它采用１．５Ｖ内核电压，内嵌９２１０６位存储区间，可提供两个锁相环和双倍数据传输速率（ＤＤＲ）的接口电路。其具体特点如下：javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

●采用２４０个引脚的ＦＰＱＦ封装形式，能提供１８５个ＩＯ用户引脚和５９８０个逻辑单元。

●具有２０个４６０８位的ＲＡＭ存储区，最高可支持２００ＭＨｚ的数据传输。每个存储区均包括单口或双口ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＦＩＦＯ等各类存储器件，并支持８位、１６位、３２位、３６位等数据存储类型。

●片上的锁相环电路可以提供输入时钟的１～３２分频或倍频、１５６～４１７ｐｓ移相或可变占空比的时钟输出，输出时钟信号的特性可直接在开发软件ＱＵＡＲＴＵＳ２里设定。经过锁相环输出的时钟信号既可以作为内部的全局时钟，也可以输出到片外供其它电路使用。

●多功能的ＩＯ结构支持差分和单端输入，并与３．３Ｖ、３２位、６６ＭＨｚ的ＰＣＩ局部总线兼容；ＩＯ输出可以根据需要调整驱动能力，并具有压摆率控制、三态缓冲、总线状态保持等功能；整个器件的ＩＯ引脚分为四个区，每一个区可以独立采用不同的输入电压，并可提供不同电压等级的ＩＯ输出。

２　在水轮机组转速测量中的应用

水轮机组的工作效率是系统状态监测中的一项重要指标，而机组的工作效率与当前时刻的转速密切相关。转速测量的关键是对六十五路脉冲信号周期的测量。笔者采用了ＥＰ１Ｃ６Ｑ器件内部的６５个计数器同时工作的测量方法。

２．１水轮机组转速测量原理

该水轮机组转速测量装置如图１所示，它由六十五个微型机械传感器组成，其中六十四个传感器分布在对称的四个转轴上，第六十五个传感器在轴的中心交点。流经管道的水流将带动传感器的旋转。当传感器旋转一周后，触发电子线路产生一个脉冲信号。管道中水流的速度越快，脉冲信号的间隔越短；管道中水流的速度越慢，脉冲信号的间隔越长。这样就可以根据脉冲信号的间隔或者说两个信号上升沿的时间长短来计算流速的大小，从而依据相应的公式计算水轮机组转速的大小。

２．２整体设计方案及工作原理

该水轮机组系统设计方案的整体框图如图２所示。水轮机组状态监测系统采用ＬｏｎＷｏｒｋｓ现场总线技术，神经元芯片是构成系统采集节点的核心，它内部包括三个微处理器，即ＭＡＣ处理器、网络处理器、应用处理器，而１１个输入／输出引脚则可根据不同的外部设备来灵活配置。收发器是节点之间通信的桥梁。

由于水轮机组转速比较慢，传感器发出的脉冲信号的时间间隔较长因此对缓变信号周期的测量应采用测周的办法。首先是将输入的脉冲信号经去抖、限幅后变成符合ＥＰ１Ｃ６Ｑ输入信号特性要求的信号，然后当ＥＰ１Ｃ６Ｑ接到神经元信号的测量命令后，再捕捉输入信号的上升沿。为了保证所有的通道在神经元芯片读取数据之前已经锁存，读取数据的时间间隔应保证不小于两个信号周期。神经元芯片将每个通道的计数值存储到片内ＲＡＭ区，并将计算得到的转速值送到信号处理模块，以计算水轮机组的工作效率。由于流速测量传感器的分布特点是边缘传感器的信号周期比内部传感器的信号周期长，因此，笔者选择一个最靠边的传感器作为标志传感器，并由标志传感器产生读取数据的标志位信号。

２．３硬件实现

（１）信号调理电路

由于ＥＰ１Ｃ６Ｑ输入／输出逻辑高电平仅能支持４．１Ｖ，而不能直接与标准的ＴＴＬ电平信号相连，因此，神经元芯片和ＥＰ１Ｃ６Ｑ之间的连接以及脉冲输入电路都必须加限幅电路。芯片的设计已经考虑到与５Ｖ设备的连接问题，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>其解决方法是在连接线路中串接一个１６２Ω电阻。