王秀霞，胡小山，胡育松，寧 宇，郭春民，徐小方

（1. 豐滿水電站，吉林 吉林 132108；2. 中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510860）

0 引言

變送器是工業(yè)過(guò)程重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備之一。主要完成物理信號(hào)的測(cè)量和變換處理。直流變送器是一種能將被測(cè)直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流信號(hào)的裝置，廣泛應(yīng)用于電力、遠(yuǎn)程監(jiān)控、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自控等需要隔離測(cè)控的行業(yè)。

隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過(guò)程工藝的復(fù)雜化，對(duì)自動(dòng)化的依賴性越來(lái)越大，變送器用量不斷增多，要求也不斷提高。針對(duì)傳統(tǒng)模擬式變送器存在精確度不夠高、響應(yīng)速度慢、漂移過(guò)大、量程有限、維護(hù)和維修費(fèi)用大等一系列問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的高精度直流變送器。該變送器有5個(gè)輸入量程可供選擇，可根據(jù)被測(cè)信號(hào)的測(cè)量范圍選擇相應(yīng)的量程。外部輸入信號(hào)調(diào)制后，經(jīng)線性光電隔離芯片實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電間的線性隔離，F(xiàn)PGA通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換芯片對(duì)線性光電隔離后的模擬量信號(hào)進(jìn)行高速同步數(shù)據(jù)采集運(yùn)算，并把運(yùn)算結(jié)果通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)和4～20 mA的電流信號(hào)快速輸出。響應(yīng)時(shí)間可達(dá)20 ms，遠(yuǎn)低于常規(guī)直流變送器。

1 變送器的主要特點(diǎn)及系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計(jì)的基于FPGA的高精度變送器符合GB/T13850-1998、IEC-688標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 主要特點(diǎn)

（1）響應(yīng)速度快

傳統(tǒng)模擬式變送器的響應(yīng)時(shí)間一般為300 ms左右，本文所設(shè)計(jì)的變送器，響應(yīng)速度可達(dá)20 ms，便于上位機(jī)對(duì)模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控。

（2）測(cè)量范圍廣

本文所設(shè)計(jì)的變送器有5個(gè)量程可供選擇，分別為0～75 mV、0～200 V、0～350 V、0～600 V、0～1 000 V。針對(duì)不同的輸入電壓范圍，可選擇相應(yīng)量程。

（3）測(cè)量精度高

本文所設(shè)計(jì)的直流變送器對(duì)線性隔離轉(zhuǎn)換后的模擬量采用16位A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個(gè)采樣周期采樣512個(gè)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計(jì)的直流變送器板系統(tǒng)框圖如圖1如示。

圖1 系統(tǒng)框圖

外部輸入的0～75 mV弱電信號(hào)或者強(qiáng)電信號(hào)通過(guò)光電隔離環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，把外部易受干擾的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被測(cè)量的信號(hào)量。外部輸入和模擬量同頻或整數(shù)倍頻的同步信號(hào)，經(jīng)調(diào)制后輸出至FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)控制A/D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)光電隔離后的外部模擬量信號(hào)進(jìn)行同步采樣，F(xiàn)PGA對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行移窗算法求平均值后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出，本設(shè)計(jì)可輸出0～5 V的電壓信號(hào)和4～20 mA的電流信號(hào)。

2 變送器的硬件設(shè)計(jì)

基于FPGA的直流變送器由線性光電隔離、同步調(diào)制、A/D轉(zhuǎn)換、FPGA核心處理單元、D/A轉(zhuǎn)換和電流變送等功能模塊組成。

2.1 光電隔離模塊

在工業(yè)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，為避免內(nèi)外部電路因接地點(diǎn)不同帶來(lái)誤差，同時(shí)為了保護(hù)內(nèi)部電路免受外部電路的影響，防止外界的各種干擾，必須將測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離[1]。對(duì)于數(shù)字信號(hào)的隔離，使用一般的光耦器件隔離就能達(dá)到很好的效果。然而一般的光耦具有較大的非線性電流傳輸特性且受溫度變化的影響較大，對(duì)于模擬信號(hào)的傳輸其精度和線性度難以滿足系統(tǒng)要求。為了能更精確地傳送模擬信號(hào)，用線性光耦隔離是最好的選擇。線性光耦輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化而成比例變化，它為模擬信號(hào)傳輸帶來(lái)了方便。

光電隔離模塊實(shí)現(xiàn)外部輸入模擬量和內(nèi)部測(cè)量信號(hào)之間的電氣隔離轉(zhuǎn)換功能。在勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流信號(hào)直接從發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子取樣，容易受到強(qiáng)電磁干擾和尖峰電壓的影響，經(jīng)光電隔離模塊轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為可被數(shù)據(jù)處理單元接受的弱電信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的變送器采用HCRN201[2]高線性度光電耦合器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離變換。此線性光耦體積小，價(jià)格便宜，隔離電路簡(jiǎn)單且可以完全消除前后級(jí)的相互干擾，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.2 同步調(diào)制模塊

處理單元FPGA通過(guò)對(duì)同步信號(hào)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)外部輸入信號(hào)的同步采樣。要實(shí)現(xiàn)同步采樣，需要外部輸入信號(hào)的頻率是同步信號(hào)頻率的整數(shù)倍。同步調(diào)制回路如圖2所示。在勵(lì)磁系統(tǒng)中，Utb為外部輸入的交流電壓信號(hào)，可取自同步變壓器的副邊，經(jīng)RC回路濾波和放大比較，生成方波同步信號(hào)syn接入FPGA。由于勵(lì)磁系統(tǒng)一般采用三相全控橋整流電路[3,4]作為功率單元，在工頻下勵(lì)磁電壓在一個(gè)周波內(nèi)有6個(gè)脈動(dòng)的波形，此時(shí)勵(lì)磁電壓的頻率為同步頻率的6倍。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

核心處理單元FPGA通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)光電隔離轉(zhuǎn)換后的模擬量進(jìn)行采樣，AD芯片與FPGA采用SPI接口。本設(shè)計(jì)采用6位4通道AD轉(zhuǎn)換芯片AD7682對(duì)模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。輸入電壓范圍0～5 V，具有采樣精度高、吞吐速率大的特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，采樣速率可達(dá)51.2千次/s。

圖2 同步測(cè)量回路

2.4 核心處理單元

本文采用FPGA作為控制器的運(yùn)算、邏輯處理單元，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到變送器的性能。與其他FPGA不同，Microsemi公司的smartfusion2[5]系列采用Flash技術(shù)，在單一芯片上集成了FPGA、一個(gè)ARM Cortex-M3處理器、先進(jìn)的安全處理加速器、DSP模塊、SRAM、eNVM和業(yè)界所需的高性能通信接口，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。核心處理單元主要實(shí)現(xiàn)A/D快速采樣、軟件濾波算法實(shí)現(xiàn)及D/A轉(zhuǎn)換輸出等功能。

2.5 D/A轉(zhuǎn)換及電流變送模塊

經(jīng)核心處理單元FPGA處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出0～5 V的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換速度達(dá)100 k點(diǎn)/s。同時(shí)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號(hào)還可以通過(guò)電流變送模塊轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，供DCS采樣使用。

3 變送器軟件設(shè)計(jì)

本文采用Microsemi公司的Libero SoC v11.8軟件，利用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量、A/D同步采樣、軟件濾波算法、D/A轉(zhuǎn)換輸出等功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

外部輸入時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)輸出后為各測(cè)量及運(yùn)算環(huán)節(jié)提供時(shí)鐘源，同步采樣為后續(xù)濾波環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同步采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件濾波后，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后輸出。

傳統(tǒng)上一般采用RC電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，當(dāng)RC參數(shù)設(shè)置過(guò)小時(shí)紋波不能有效消除，RC參數(shù)過(guò)大時(shí)響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)反映輸入信號(hào)的變化。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文采用軟件濾波的方法對(duì)同步采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，即采用單一周期內(nèi)數(shù)據(jù)求平均值的方法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，取得了很好的效果。

4 功能測(cè)試

4.1 靜態(tài)測(cè)試

基于FPGA的直流變送器通過(guò)同步采樣實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)速度和更寬的測(cè)量范圍。當(dāng)在A/D的輸入端輸入方波信號(hào)時(shí)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片的高速采樣、軟件濾波、D/A輸出及電流變送環(huán)節(jié)，輸出波形與輸入方波的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。其中方波信號(hào)幅值為4 V，頻率為50 Hz，占空比50%，輸出的電流回路并聯(lián)100 Ω1/4 W的電阻，測(cè)得的電壓值為1.062 8 V，和理論計(jì)算值相符。

圖4 A/D輸入為方波時(shí)的變送器輸出波形

當(dāng)設(shè)定外部模擬量輸入量程為0～200 V，用繼電保護(hù)測(cè)試儀加入0～200 V的直流電壓信號(hào)時(shí)測(cè)得輸入電壓與輸出電流的線性關(guān)系如圖5所示，輸入電壓與輸出電流具有較好的線性關(guān)系。

4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

豐滿電廠位于吉林省吉林市，總裝機(jī)容量為100.25萬(wàn)kW，勵(lì)磁系統(tǒng)采用中國(guó)電器科學(xué)研究院/廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司的EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)，本文所設(shè)計(jì)的變送器應(yīng)用于豐滿電廠，取得了很好的控制效果。由于勵(lì)磁系統(tǒng)采用三相橋式全控整流電路，所以勵(lì)磁電壓的波形在一個(gè)周波內(nèi)有6個(gè)連續(xù)的脈動(dòng)波形，如圖6所示。其中整流橋陽(yáng)極電壓為44.3 V，直流側(cè)整流輸出電壓為54.4 V，可控硅的觸發(fā)角為10°，直流電流變送輸出側(cè)并聯(lián)330 Ω電阻。從圖中可以看出，輸出電流波形沒(méi)有脈動(dòng)，對(duì)輸入的勵(lì)磁電壓波形進(jìn)行了有效的濾波。

圖5 變送器輸入電壓與輸出電流關(guān)系

圖6 變送器輸入/輸出波形

當(dāng)可控硅的觸發(fā)角從10°突變?yōu)?0°時(shí)，通過(guò)示波器測(cè)得的波形如圖7所示。

圖7 輸入突變時(shí)變送器輸出波形

當(dāng)可控硅的觸發(fā)角度發(fā)生突變時(shí)，勵(lì)磁電壓的波形發(fā)生突變，勵(lì)磁電壓的大小也發(fā)生突變，此時(shí)勵(lì)磁電壓經(jīng)過(guò)變送器輸出后也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從圖7中可以看出，經(jīng)變送器變送后的信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間約為20 ms。優(yōu)于傳統(tǒng)模擬式變送器。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)直流變送器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量范圍窄等現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的高精度快速變送器，該變送器通過(guò)對(duì)模擬量進(jìn)行高速高精度采樣，采用軟件濾波的方式對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解決了傳統(tǒng)直流變送器響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。把該變送器用于豐滿電廠勵(lì)磁系統(tǒng)中，運(yùn)行穩(wěn)定，取得了較好的效果。