[发明专利]一种基于FPGA和ARM9的电压波动与闪变测试仪

说明书

本发明以嵌入式ARM9控制器和FPGA为处理核心，设计了手持式的电压波动与闪变测试仪，可以同时测量多路交流电压信号的短时闪变值P_st和长时闪变值P_lt。为了简化运算过程，对电压每半周波进行一次方均根值运算，并对得到的方均根值序列进行快速傅里叶变换，求解出各频率下对应的瞬时闪变值，并利用概率大值法求解短时闪变。通过在FPGA中的2组存储器交替接收数据，利用乒乓方式实现32位的FFT算法，可大幅提高运算速度与精度。实测结果表明，本测试仪对于方均根值计算精度达到2%，闪变测量精度达到2%。此软硬件平台可方便地扩展谐波与谐间波等其他电能质量测量应用，有较好的推广价值。

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，涉及一种电能质量的监控装置，尤其涉及一种基于FPGA和ARM9的电压波动与闪变测试仪。

背景技术

随着我国工业和国民经济的快速发展，电网负荷急剧增加，特别是冲击性、非线性负荷所占比重不断加大，使得供电电压发生波动和闪变，严重影响着电网的电能质量。目前，基于IEC61OOO-3-7标准给出的闪变测量原理的数字化闪变仪已经问世，但其测量方法复杂，成本较高。基于并联滤波器的电压闪变检测方法需釆用2个并联滤波器对频谱进行分析和幅值跟随，实现难度较大。基于虚拟仪器的平方检测法对电压闪变进行测量需要计算机进行配合，不便于实现手持式或安装式应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种手持式的电压波动与闪变测试仪，以FPGA和ARM为控制核心并结合FFT算法，可以实时、高精度地对多路电压波动和闪变值进行测量，并可将电压方均根值曲线记录储存，方便査阅与分析，并保证较高的测量精度。

一种基于FPGA和ARM9的电压波动与闪变测试仪，包括信号预处理电路，同步A/D转换器，FPGA和ARM微控制器系统；

通过信号预处理电路检测并处理4路交流电压信号，然后通过FPGA进行前期运算和AD转换电路转换处理后传输给ARM控制系统进行后期运算，实现人机交互及网络通信功能；

所述的信号预处理电路，由电压互感器、模拟开关与运放组成的可调放大电路、以及RC低通滤波器组成，将被测电压信号变换为适合A/D量程的信号，且滤除高频成分；

所述FPGA，其内部含有43661个逻辑单元、2088Kb的块RAM数量、以及401Kb的分布式RAM，该器件提供218个I/O；FPGA负责控制A/D转换器进行采样，并根据ARM9的指令控制模拟开关对量程进行切换，采样键盘动作并将按键编码传给ARM控制器；

测试仪的核心运算由该FPGA完成，包括半波有效值计算和FFT变换，并将运算结果及波形数据传给ARM控制器进行后续处理；

所述A/D转换器，具有4通道同时采样功能，其采样速率最髙为200KSPS.16位精度，有串行和并行2种输出方式，选±5V或±10V输入范围用于扩展相位差测量功能，采用并口方式与FPGA连接，并选择±5V输入范围，A/D转换器的数据与控制总线与FPGA的I/O直连；

所述ARM控制系统，运行速度为200MHz，作为系统的控制核心，完成了操作系统初始化及各任务分配，并且对FFT的结果进行后期运算，以获得电压波动与闪变的最终结果。

进一步地，信号预处理电路中，电压互感器选用2mA：2mA的微型互感器，可调放大电路由轨对轨集成运算放大器和4路模拟开关组成，提供4档放大倍数，以提高电压的测量范围，RC低通滤波截止频率选为3000Hz。

进一步地，FPGA与ARM的连接采用总线接口，使用IP核工具在FPGA内部使用块RAM生成一个4KB的FIFO，用来在FPGA和ARM之间传输数据。