電除塵器高頻電源采集系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文

附錄第一章緒論1.1選題背景及研究意義隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，在犧牲環(huán)境而發(fā)展經(jīng)濟(jì)的影響下，中國的環(huán)境保護(hù)變的越來越迫切，而粉塵污染更是一個非常嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，特別是2013年北京等地的嚴(yán)重霧霾現(xiàn)象，更是把環(huán)境保護(hù)提到了一個新的高度。人們越來越關(guān)注對環(huán)境的保護(hù)。我國是一個燃煤大國，在我國的發(fā)電主要還是以火力發(fā)電為主，在2011年，全國火電電量為38137億千瓦時，占全部發(fā)電量的82.54%。而不僅是火電廠，煤炭加工、采礦、電力、冶金、煉油、化工、造紙等工業(yè)都是粉塵污染的排放源。為減少這些工業(yè)粉塵的排放，保護(hù)環(huán)境，采用各種除塵裝置是一種最為有效的手段。但是，這十多年來我國環(huán)保形勢已發(fā)生了巨大的變化，作為大氣污染治理的主戰(zhàn)場——火力發(fā)電廠裝機(jī)容量至少增加了三倍，單機(jī)機(jī)組更由300、600發(fā)展到1000MW或更高；粉塵排放濃度則由200mg/m3降到50mg/m3；而電站脫硫技術(shù)迅速發(fā)展，特別是干法脫硫后需要處理的粉塵濃度則高達(dá)800mg/m3——2000mg/m3；這就要求除塵器的除塵效率達(dá)到在99.99%以上，這些都給電除塵器及其供電電源等提出了新的課題。根據(jù)工作原理的不同，可將除塵器分為以下幾種：洗滌除塵、機(jī)械除塵、過濾除塵和靜電除塵等。而目前在中國，電除塵器數(shù)量占除塵器數(shù)量的百分之七十以上，我國明顯已經(jīng)是一個世界電除塵器的生產(chǎn)、應(yīng)用大國[1][2]。但現(xiàn)在國內(nèi)的現(xiàn)代代大型電廠和工廠所使用的還是工頻電除塵器電源。工頻電除塵器電源是線性電源，線性電源的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，可靠性高，輸出電壓精度高，輸出紋波電壓小。而其不足之處主要是要求采用半控型器件、工頻變壓器和濾波器，重量體積都很大，并且調(diào)整管的功耗較大，使電源功率因數(shù)小且效率大大降低，一般情況不超過50%。除此以外，其輸出電壓的脈動大，使得除塵器的輸出平均電壓偏低，導(dǎo)致除塵效率相對較低，而且使用半控型器件使得發(fā)生閃絡(luò)放電或者短路等狀況時不能夠及時調(diào)整，延時大，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，因此有可能會造成設(shè)備的損壞[2][3][4]；但其優(yōu)良的輸出特性，使其在對電源性能要求較高的場合仍得到廣泛的應(yīng)用。從上個世紀(jì)九十年代開始，隨著國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，電除塵器高頻電源由于所顯現(xiàn)的絕對優(yōu)勢和眾多優(yōu)點越來越受到各企業(yè)工廠的青睞。電除塵器高頻電源屬于開關(guān)電源，因此其具有開關(guān)電源的優(yōu)勢。開關(guān)電源的優(yōu)點：效率高，可靠性和穩(wěn)定性較好，體積小、重量輕，對供電電網(wǎng)電壓的波動不敏感，在電網(wǎng)電壓波動較大的情況下，仍能維持比較穩(wěn)定的輸出。但是，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源的功率開關(guān)處于開關(guān)狀態(tài)，使其存在的輸出波紋電壓較高、瞬變響應(yīng)較差，對電網(wǎng)和外部電子設(shè)備有電磁干擾等缺點。電除塵器高頻電源是電除塵器電源發(fā)展的趨勢，正如上世紀(jì)八十和九十年代的電子計算機(jī)、通信和電力操作等領(lǐng)域開關(guān)電源取代了可控硅相控電源那樣，二十一世紀(jì)其他工業(yè)領(lǐng)域特別是環(huán)保領(lǐng)域開關(guān)電源將逐步取代可控硅相控電源。作為電除塵器高頻電源的重要核心組成部分之一的采集系統(tǒng)，更是直接關(guān)系到高頻電源性能的好壞，是保證電除塵器高頻電源的正常運行的關(guān)鍵之一。1.2相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀電除塵器高頻電源的發(fā)展則要追溯到20世紀(jì)90年代初，由美國學(xué)者LiberatiGuglielmo在1993年開發(fā)出高頻開關(guān)保護(hù)電源，使之適用于電除塵器，并對故障跟蹤的保護(hù)設(shè)計做了初步的設(shè)想。20世紀(jì)90年代末，美國的NWL公司、丹麥SMIDTH公司和瑞典的ALSTOM公司等的高頻開關(guān)電源進(jìn)入市場并應(yīng)用于電力、化工等行業(yè)。其中，瑞典的ALSTOM公司的SIR系列高頻開關(guān)電源最具有代表性，其最大規(guī)格已達(dá)到120KV/1.2A[5]。而電除塵器高頻電源采集系統(tǒng)的發(fā)展史則直接與DSP的發(fā)展相緊密聯(lián)系，從第一代的電除塵器高頻電源的生產(chǎn)開始，其控制系統(tǒng)一直由DSP為主導(dǎo)，而隨著DSP的發(fā)展，其控制、采集系統(tǒng)也不斷的處于更新狀態(tài)。相比較與國外的早起點、快速發(fā)展，國內(nèi)高頻直流高壓開關(guān)電源研究起步較晚。雖然我國的開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上可源于20世紀(jì)70年代末和80年代初，當(dāng)時引進(jìn)的開關(guān)電源技術(shù)在高等院校和一些科研所停留在試驗開發(fā)和教學(xué)階段，但是直到21世紀(jì)初，高頻電源在我國引進(jìn)，而且其高昂的價格，使其推廣使用變得尤為艱難。2002年以后，國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)才先后開始了高頻、高壓開關(guān)電源的研究，以此來實現(xiàn)高頻電源的國有化。其中國電環(huán)境保護(hù)研究院（南京國電環(huán)?？萍加邢薰荆?、福建龍凈環(huán)保公司是電除塵器高頻電源的先驅(qū)者。經(jīng)過幾年的努力，各自取得了重大的突破，并研發(fā)出擁有各自知識產(chǎn)權(quán)的電除塵器高頻電源。其中國電環(huán)保研究院研制的高頻電源體積小、重量輕，其輸出功率更是達(dá)到115KW，達(dá)到了國際水準(zhǔn)[6][7]。與此同時，國內(nèi)的采集系統(tǒng)也全部沿襲了國外的采集技術(shù)，采用以DSP為主導(dǎo)的采集系統(tǒng)。但是由于國內(nèi)的電子技術(shù)相比于國外較為落后，在系統(tǒng)硬件電路采集、調(diào)理等方面的成熟度更是處于弱勢，因此在電除塵器高頻電源主電路趨于穩(wěn)定的條件下，國內(nèi)高頻電源的故障率一直處于居高不下的狀態(tài)，一個非常重要的方面就是國內(nèi)高頻電源的控制系統(tǒng)或采集系統(tǒng)采用的技術(shù)更新速度慢，且其采集系統(tǒng)已成固化狀態(tài)，方式單一，其對硬件的依賴性很大。這樣在環(huán)境惡劣的情況下，就會使采集系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定，直接導(dǎo)致了整個設(shè)備的工作不穩(wěn)定。1.3本文的研究內(nèi)容基于目前國內(nèi)現(xiàn)有的基于傳統(tǒng)采集方式的電除塵器高頻電源，本文將現(xiàn)已發(fā)展成熟的FPGA技術(shù)運用到高頻電源上提高設(shè)備采集系統(tǒng)的性能。本文主要完成的工作包括采集數(shù)據(jù)分析、硬件電路設(shè)計、軟件采集模塊編程和數(shù)字濾波器四個部分。（1）采集數(shù)據(jù)分析是對整個高頻電源監(jiān)控數(shù)據(jù)的研究，在設(shè)計之初對其做詳細(xì)的分析與研究，包括采集信號的種類、波形、幅值、頻率等，并對數(shù)據(jù)采集的方法做了詳細(xì)的解釋說明。（2）硬件調(diào)理部分包括硬件電路設(shè)計和實驗結(jié)果分析。針對采集信號的特殊性，有針對性的設(shè)計調(diào)理采集電路，并在最后給出硬件電路設(shè)計的仿真波形與實際實驗波形的對比說明，驗證硬件電路設(shè)計的正確性。（3）軟件采集部分包括程序設(shè)計和仿真結(jié)果。本文對硬件模數(shù)轉(zhuǎn)換器、移位寄存器等采集芯片設(shè)計出完整的接口程序，完成信號的最終數(shù)字量轉(zhuǎn)換，并給出時序仿真圖。（4）數(shù)字濾波部分是對在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)FIR濾波器的研究。本文詳細(xì)分析了DA算法的原理，并根據(jù)原理在FPGA中實現(xiàn)了FIR濾波器。具體各章節(jié)大致內(nèi)容如下所述：第一章是對本課題研究的背景和研究意義做出簡單介紹，并給出目前國內(nèi)外電除塵器高頻電源技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。第二章是對本文設(shè)計的總體概述，根據(jù)工業(yè)設(shè)計要求，給出本設(shè)計的設(shè)計原則。同時，對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式和基于FPGA的采集方式作出詳細(xì)的比較說明，并確定了本設(shè)計中采用的數(shù)據(jù)采集方式——基于FPGA的并行采集模式。第三章是本文設(shè)計的基礎(chǔ)。首先對高頻電源做了簡單的介紹后，著重對電除塵器高頻電源的工作原理做了細(xì)致的分析，并確定電除塵器高頻電源采集的數(shù)據(jù)參數(shù)。電除塵器高頻電源是一種自主進(jìn)行故障判斷的設(shè)備。而其自主判斷的前提就必須對其運行過程中的各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，因此一套可靠、安全的采集系統(tǒng)是保證電除塵器高頻電源正常運行的重要前提。第四章是電除塵器高頻電源的采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計。在進(jìn)行硬件設(shè)計前，必須考慮到設(shè)計對象的工作環(huán)境。因為電除塵器高頻電源是安裝在室外，而且在全國各地都有應(yīng)用。所以設(shè)計前，對其工作的環(huán)境需進(jìn)行最大限度的設(shè)定，因為硬件的設(shè)計的成功與否與各種器件的選型有直接的關(guān)系。因此，需對硬件選型十分慎重。另外，由于開關(guān)電源自身有一個很大的缺點就是開關(guān)高頻噪聲較為嚴(yán)重，因此在電路設(shè)計中適時的增加濾波電路和隔離的應(yīng)用。為驗證硬件電路設(shè)計的正確性，最后給出各電路在不同調(diào)理部分的波形，并與輸入波形做對比。第五章主要是FPGA的模塊化程序設(shè)計。在本章中，針對硬件電路中采集信號采集模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，各自獨立設(shè)計一系列的采集程序，并著重對數(shù)據(jù)緩存技術(shù)做了深入的分析。最后給出軟件仿真波形，以驗證程序模塊設(shè)計的正確性。 第六章是基于分布式算法的FIR濾波器在FPGA中的研究和應(yīng)用。數(shù)字濾波等信號處理一般都由DSP處理來完成。而隨著FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展，基于FPGA的數(shù)字處理算法也不斷的產(chǎn)生。本章就對應(yīng)用DA算法在FPGA中實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波功能的技術(shù)做了分析探討，此方式不僅提高處理速度，同時對DSP的效率的提高也有一定的幫助。第七章是本文的總結(jié)和展望。

第二章系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)上一章在介紹高頻電源的相關(guān)國內(nèi)外情況后，在本章將對高頻電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做出總體設(shè)計，并對采集系統(tǒng)的核心——采集方式做出選擇。2.1系統(tǒng)設(shè)計原則根據(jù)高頻電源的使用情況與基本的設(shè)計原則在具體實際中的考慮，本文按照以下原則進(jìn)行總體設(shè)計：（1）可靠性。就工程設(shè)備而言，其最重要的因素是設(shè)備能夠可靠、穩(wěn)定地運行。電除塵器高頻電源的工作環(huán)境的劣，經(jīng)常是處于高溫或低溫、高濕度和干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，因此保證其可靠地運行更為重要。因此，采集系統(tǒng)必須盡可能實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的采集與傳輸。（2）可擴(kuò)展性。由于我國高頻電源技術(shù)的落后和現(xiàn)今技術(shù)的迅速發(fā)展，因此在設(shè)計系統(tǒng)時很重要的一點就是考慮到以后的更新?lián)Q代問題。更新?lián)Q代并不是另起爐灶，而是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展與改進(jìn)。因此為減少不必要的成本，在當(dāng)時的設(shè)計中留有一定的余地進(jìn)行擴(kuò)展也是一項重要措施。（3）硬件成本。商業(yè)成本也是制約先進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個非常因素，其對硬件技術(shù)更為重要。電除塵器高頻電源是一個商品，因此其利潤才是最為重要的關(guān)鍵。因此在進(jìn)行硬件設(shè)計時，器件選型是一項重要的工作。在滿足需求的基礎(chǔ)上，盡量選用應(yīng)用廣泛的器件。（4）易維護(hù)性。在工作環(huán)境和硬件使用壽命的制約下，設(shè)備出現(xiàn)故障是無可避免的問題。但由于高頻電源的全國分布和技術(shù)人員數(shù)量的限制，因此，設(shè)備的易維護(hù)性問題必然也是系統(tǒng)設(shè)計考慮的一個不可或缺的因素。系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)盡可能的采用模塊化設(shè)計，各部分彼此不受影響，這樣在使用中對故障的排查也起到一定的簡易作用，方便系統(tǒng)的后期維護(hù)和升級[8]。2.2系統(tǒng)采集方式的研究目前，作為世界通用的三大主流控制器——ARM、DSP和FPGA在不同領(lǐng)域、不同應(yīng)用場合都發(fā)揮重要的作用。這三種微控制器都可以用來做數(shù)據(jù)采集，下面就三者的主要優(yōu)勢做簡要分析：（1）ARM的最大特點是其強(qiáng)大的的事務(wù)管理功能，主要用來做應(yīng)用界面設(shè)計以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制方面；（2）DSP，即數(shù)字信號處。顧名思義，其最大的優(yōu)勢就是強(qiáng)大的數(shù)字處理能力和較高的運行速度，所以經(jīng)常用來計算，比如進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)等；（3）FPGA，可編程門陣列，其編程語言也不同于ARM和DSP，有兩種可用VHDL和VerilogHDL——本設(shè)計采用VerilogHDL語言，靈活性強(qiáng)，由于能夠進(jìn)行編程、除錯、再編程和重復(fù)操作，因此可以充分地進(jìn)行設(shè)計開發(fā)和驗證。當(dāng)電路有少量改動時，更能顯示出FPGA的優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品在市場上的壽命，而這種能力可以用來進(jìn)行系統(tǒng)升級或除錯。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集方式是通過DSP或單片機(jī)實現(xiàn)，模擬信號數(shù)據(jù)采集是在模擬信號調(diào)理完成以后，直接輸入到DSP或單片機(jī)的AD引腳，通過軟件配置來采集。而由于FPGA在最近十幾年的強(qiáng)勢崛起，其靈活的可配置性和并行的工作模式，使其短時間內(nèi)在數(shù)據(jù)采集方向的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。下面對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式和基于FPGA的數(shù)據(jù)采集方式作出如下對比。（1）A/D轉(zhuǎn)換的控制傳統(tǒng)采集模式：通過軟件控制數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換。缺點：頻繁中斷系統(tǒng)的運行，減弱系統(tǒng)數(shù)據(jù)運算能力，采集速度受限。FPGA采集模式：FPGA的數(shù)據(jù)采集是FPGA搭配一個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)采集，因此整個數(shù)據(jù)的采集和A/D轉(zhuǎn)換都是由硬件完成，可以最大限度的提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和處理能力。（2）工作模式傳統(tǒng)采集模式：傳統(tǒng)采集方式所用的DSP或單片機(jī)的工作模式是串行的，雖然其通過快速中斷模式可以實現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其指令更適合實現(xiàn)算法而不是邏輯控制，其外部接口的通用性較差。而且串行的工作模式注定在同一時間只能采集一種信號，這就必然限制了其采集速度和質(zhì)量。FPGA采集模式：FPGA是門級可編程器件，其最大的特點是工作模式為并行模式。因此，適于大數(shù)據(jù)量的高速采集和傳輸控制，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。（3）采集頻率傳統(tǒng)采集模式：DSP或單片機(jī)的編程控制是有指令集完成，指令集的執(zhí)行必遵循指令周期。因此DSP/單片機(jī)的采集頻率很大程序受到時鐘的束縛，因此大多的DSP最大的采集速度為幾十兆或上百兆。FPGA采集模式：FPGA由于內(nèi)部延時小，全部控制邏輯由硬件完成，因此其時鐘頻率很高，中高檔的FPGA的時鐘頻率可達(dá)上GHz。（4）可擴(kuò)展性傳統(tǒng)采集模式：DSP或單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集是將模擬信號直接輸入到AD寄存器的引腳中，因此模擬信號的輸入受到CPU的供電電壓的限制。且當(dāng)采集的對象處于干擾嚴(yán)重或高壓環(huán)境下，對模擬信號的隔離也需做特別處理。FPGA采集模式：FPGA的I/O數(shù)量較多，每一個I/O口的功能都大致相同，因此其可移植性更強(qiáng)。而且由于FPGA的數(shù)據(jù)采集是配合一款A(yù)D來實現(xiàn)的，因此進(jìn)入FPGA的信號是數(shù)字信號，對數(shù)字信號的隔離可有多種選擇，如光電隔離、磁隔離等。綜合以上原因，在本系統(tǒng)中采用基于FPGA的采集模式來搭建采集平臺。2.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由上文可知，電除塵器高頻電源的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是建立在FPGA的采集平臺上。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖注：虛線部分為本文研究內(nèi)容 由上圖可以看出，本文的主要研究對象為硬件電路設(shè)計和FPGA采集模塊的實現(xiàn)。硬件電路設(shè)計：硬件電路，即數(shù)據(jù)采集的調(diào)理電路，是保證采集信號可靠、準(zhǔn)確的關(guān)鍵部分，調(diào)理電路包括尖峰信號的抑制、RC濾波、隔離等電路。因為從干擾嚴(yán)重或室外環(huán)境下采集的模擬信號和數(shù)字信號都不可避免的受到了或多或少的干擾，導(dǎo)致信號的不準(zhǔn)確，摻雜其中的尖峰信號會對后級元器件造成損壞，從而造成設(shè)備的故障，且維護(hù)困難。因此在信號采集之后、AD轉(zhuǎn)換之前對信號進(jìn)行一定的調(diào)理是非常重要的，而對信號的調(diào)理電路也成為采集電路不可或缺的一部分。在本設(shè)計中，針對采集的信號的不同，設(shè)計不同的調(diào)理電路，其中功能相同的電路，做成典型模塊，使設(shè)計簡易化。在完成各部分的電路設(shè)計后，最后給出實際電路的測試波形，以驗證電路的正確性。FPGA軟件設(shè)計：在此設(shè)計中FPGA實現(xiàn)的五種功能：數(shù)據(jù)的采集、高低限判斷、數(shù)字濾波器、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸。由于FPGA的并行模式特點，因此對數(shù)據(jù)的采集采用模塊化設(shè)計，并行對每一路AD采集、濾波、高低限判斷、存儲。由于高低限的判斷相對容易實現(xiàn)，因此在后文的設(shè)計中就省略了此處的描述。AD采集就是針對不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計不同的采集接口程序。而數(shù)據(jù)存儲涉及到FPGA內(nèi)部的RAM使用，數(shù)據(jù)的傳輸是FPGA與DSP之間數(shù)據(jù)單向流動。因為本文的研究重點是數(shù)據(jù)采集，所以只考慮FPGA中數(shù)據(jù)向DSP的傳輸。而DSP對FPGA的參數(shù)設(shè)置、控制信號傳輸數(shù)據(jù)量很少，通過SPI即可實現(xiàn)。2.4本章小結(jié)本章針對電除塵器高頻電源在實際中的工作環(huán)境，提出在設(shè)計中依據(jù)設(shè)計原則，以此來考慮設(shè)計中需要特別注意的細(xì)節(jié)。并著重對傳統(tǒng)采樣方式——DSP或單片機(jī)的采樣方式和基于FPGA的高速采樣方式做了詳細(xì)的對比說明。最后總結(jié)出，基于FPGA的高速、并行采樣方式更能夠滿足電除塵器高頻電源的要求，并且對設(shè)備的性能也有一定的提升作用。最后，對基于FPGA的設(shè)計架構(gòu)進(jìn)行了簡單的規(guī)劃、并對其中的每個采集、調(diào)理環(huán)節(jié)做了進(jìn)一步的說明。

第三章電除塵器高頻電源介紹3.1電除塵器高頻電源工作原理電除塵器實質(zhì)上是由兩個極性相反的電極構(gòu)成。其中負(fù)極，又稱為電暈極或放電極，是一個曲率半徑很大的線狀電極；正極，又稱為集塵極，是一塊板狀電極。通過在正極與負(fù)極之間施加高壓直流電，使其中維持一個足以使氣體電離的靜電場，見圖3-1，氣體電離后所生成的電子，陰離子和陽離子，吸附在通過電場的粉塵上，而使粉塵獲得荷電，荷電粉塵在電場力的作用下，便向電極性相反的電極運動而沉積在電極上，從而達(dá)到粉塵和氣體分離的目的[9]。圖3-1靜電除塵原理圖電除塵器高頻電源最大的用途就是給電除塵器供電，而電除塵器的除塵效果的好壞完全由高頻電源決定。當(dāng)前，國內(nèi)外普遍的靜電除塵器高頻電源有兩種類型，一種為硬開關(guān)型高頻電源，第二種為諧振型高頻電源。較早出現(xiàn)的是硬開關(guān)型高頻電源，但其硬開、硬關(guān)的特點直接限制了頻率的提升和自身的發(fā)展。因為硬開關(guān)直接在大電流、大電壓下關(guān)斷和開通，導(dǎo)致開關(guān)損耗過大，從而使整個高頻電源的效率降低，并且直接對電路溫升設(shè)計和EMC設(shè)計造成了很大的難題。而對靜電除塵器來說，頻率的升高則表示輸出電壓的紋波更低；當(dāng)最高電壓相同時，輸出電壓的紋波越低，電場中粉塵顆粒的驅(qū)動速度越大，更有利于除塵的效果；而且更大的輸出功率就表示著越高的電暈功率，這對電除塵器的除塵效率也是至關(guān)重要的。諧振式的高頻電源是在硬開關(guān)型高頻電源的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，為改進(jìn)硬開關(guān)型的硬開關(guān)特點，在其主電路中加入了諧振環(huán)節(jié)。利用軟開關(guān)技術(shù)（ZVS：零電壓開通，ZCS：零電流關(guān)斷）減小了開關(guān)管的損耗，提高了工作頻率，并且對電路運行時的電磁干擾也有了很大的改善[2]。電除塵器高頻電源是利用高頻開關(guān)技術(shù)而形成的逆變式電源，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，其供電電流是由一系列窄脈沖構(gòu)成，可以給電除塵器提供具有從接近純直流到脈動幅度很大的各種電壓波形。高頻電源控制方式靈活多樣，可根據(jù)電除塵器運行工況選擇最合適的電壓波形，減少電除塵能耗，提高除塵效率。本文所涉及的高頻電源是由南京國電環(huán)保科技有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的HF-02型電除塵器高頻電源，所以其設(shè)計的特點也主要是依照發(fā)電廠的電除塵器而特定的，因此可能具有一定的局限性。本高頻電源采用DSP+FPGA作為控制核心，實現(xiàn)了對電源的全數(shù)字化控制，電源采用串聯(lián)諧振主回路，大大減小了逆變電路的開關(guān)損耗，提高了電源的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。以高速、大功率開關(guān)器件IGBT作為逆變功率器件，將電除塵器電源的工作頻率提高至20kHz，降低變壓器損耗。電源結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。圖3-2高頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖電除塵器高頻電源根據(jù)強(qiáng)弱電的劃分，可分為主電路和控制電路兩部分。主電路即屬于強(qiáng)電的電力轉(zhuǎn)換部分，由EMI濾波器、三相整流橋、輸入濾波、全橋逆變和高頻整流等模塊組成；本電源設(shè)備輸入為三相380V/50Hz交流電源，經(jīng)三相整流器和濾波后得到約530V左右的直流電壓，再經(jīng)IGBT模塊高頻逆變，變壓整流后為電除塵器提供上限為72kV電壓的直流電源?？刂齐娐穼儆谌蹼姴糠?，其中包括各種數(shù)字、模擬量的采樣電路，故障保護(hù)電路，溫度檢測電路，PWM信號驅(qū)動電路，串口通信和CPU控制系統(tǒng)等處理單元。3.2控制電路功能的分配設(shè)計由高頻電源的系統(tǒng)原理初步設(shè)計圖可知，控制電路主要由輔助電源、溫度檢測電路、信號采樣、隔離、調(diào)理電路、驅(qū)動保護(hù)電路和CPU控制系統(tǒng)組成，其中CPU控制系統(tǒng)是DSP與FPGA的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”使用?？刂齐娐分械男盘柗N類繁多、復(fù)雜，包括模擬信號、數(shù)字信號、高頻信號、低頻信號、采集信號、通訊信號等，通過合理有效的應(yīng)用分配，從而能驅(qū)動設(shè)備的正常運行?？刂齐娐穼Ω哳l電源的各種故障信號（包括過流、過壓、欠壓、過熱等現(xiàn)象）進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)故障時可以及時作出相應(yīng)的故障處理；控制電路還負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，可由上位機(jī)發(fā)出的控制指令來對高頻電源進(jìn)行控制。由于所要采集的信號數(shù)量級相差很大，有的電壓高達(dá)幾百伏，而有的電流則小至幾十毫安，控制電路采集的電流電壓信號是直接從高壓回路中通過采樣或分壓的方式采集，直接送入控制電路可能會導(dǎo)致微處理器及外圍電路損壞，因此需采用前端信號調(diào)理電路對采集信號進(jìn)行預(yù)處理，并且需要對各部分的電路進(jìn)行隔離以降低干擾。因此，在設(shè)計整個系統(tǒng)時，將控制電路根據(jù)相近的功能作用，分配成以下幾個模塊。3.2.1DSP+FPGA控制平臺由上文可知，整個電除塵器高頻電源的控制系統(tǒng)是建立在以DSP為數(shù)字處理器和FPGA高速采集模塊的平臺上的。以DSP強(qiáng)勢的數(shù)字處理能力配合FPGA的高速時鐘頻率和并行觸發(fā)模式，實現(xiàn)最優(yōu)的實時監(jiān)控和最優(yōu)設(shè)計。它所實現(xiàn)的作用是將在整個高頻電源各部位采集得來的各項數(shù)據(jù)指標(biāo)經(jīng)過再次調(diào)理輸出到IFIX監(jiān)控上位機(jī)以實時反映設(shè)備在運行中的狀態(tài)，并且是上位機(jī)對整個系統(tǒng)控制的唯一監(jiān)控傳輸站。所以控制模塊中不僅有核心芯片DSP和PWM信號發(fā)生的FPGA芯片，還包括簡單的隔離調(diào)理和保護(hù)電路，和與上位機(jī)實現(xiàn)通訊傳輸?shù)腞S232和RS485通訊接口。3.2.2驅(qū)動保護(hù)單元驅(qū)動電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動IGBT。驅(qū)動電路是電除塵器高頻電源能否正常工作的重要傳輸調(diào)理電路。由于高頻電源采用的是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，所以重要的PWM信號是驅(qū)動整個設(shè)備工作的關(guān)鍵。電源的PWM信號由DSP發(fā)出，進(jìn)入可編程邏輯門器件FPGA后，經(jīng)過一段調(diào)理隔離電路，到達(dá)驅(qū)動保護(hù)電路，信號在經(jīng)驅(qū)動保護(hù)電路放大驅(qū)動四個IGBT。本電源采用的驅(qū)動保護(hù)電路是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的一款2SC315AI驅(qū)動芯片為主要單元，所以驅(qū)動電路是直接固定在IGBT上，驅(qū)動IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。3.2.3高壓采樣電路在所有的數(shù)據(jù)采集電路中，高電壓、大電流永遠(yuǎn)是危險的存在，不僅因為其高壓、大電流的性質(zhì)容易造成器件損壞，更因為在高壓、大電流中總是容易存在各種干擾信號，對其他弱電信號產(chǎn)生很大的影響。在本電源采集的信號中，輸出的二次高壓（最高可達(dá)70KV以上）和二次電流（高達(dá)1.4A）是比較特殊的一組，所以需要必要的手段對其進(jìn)行降壓和減流，達(dá)到一般的弱電等級信號，在進(jìn)行調(diào)理和采集。3.2.4數(shù)字信號調(diào)理電路在電除塵器高頻電源設(shè)備中主要有兩種信號的作用：數(shù)字信號、模擬信號。所以針對這兩種信號的不同特點，可以將這兩種信號隔離集中在兩種模塊：數(shù)字信號調(diào)理模塊和模擬信號采集模塊。其中數(shù)字調(diào)理模塊包括數(shù)字驅(qū)動模塊和數(shù)字采集模塊。數(shù)字信號調(diào)理電路主要實現(xiàn)對數(shù)字信號的調(diào)理，主要以下功能：（1）繼電器輸出控制：將由DSP控制起發(fā)送控制信號，在FPGA中譯碼，輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動各路中間繼電器啟動設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、主回路接觸器、預(yù)充電回路接觸器等）。信號經(jīng)高速光耦芯片隔離，并采用繼電器專用驅(qū)動芯片ULN2003A。（2）狀態(tài)開關(guān)量采集電路：如風(fēng)機(jī)運行信號、振打接觸器信號、加熱回路接觸器信號等，對接觸器觸點提供24V回路信號。采集的狀態(tài)信號進(jìn)入數(shù)字采集電路，由專用采集芯片采集，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送入FPGA中，最后由FPGA一同發(fā)送至DSP控制器。（3）IGBT驅(qū)動信號及故障反饋電路：這兩種信號不同于以上兩種信號，屬于高頻信號。DSP板產(chǎn)生IGBT的兩路驅(qū)動信號，進(jìn)入FPGA后經(jīng)高速光電隔離后，由驅(qū)動芯片提供較強(qiáng)驅(qū)動能力的發(fā)生信號。為了提高信號的抗干擾能力，將接口電壓升抬至15V輸出。IGBT故障信號主要是IGBT在故障時發(fā)出的報警信號。3.2.5模擬信號調(diào)理電路模擬信號調(diào)理電路的主要功能是對主電路的電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行采集、調(diào)理。由FPGA對多路模擬信號并行采集，并將采集的信號進(jìn)行預(yù)處理后送入DSP，在DSP內(nèi)運算處理；CPU對高頻電源的各種故障信號（包括過流、過壓、欠壓、過熱等現(xiàn)象）進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)故障時可以及時作出相應(yīng)的故障處理。3.3數(shù)據(jù)采集分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分?jǐn)?shù)字信號采集和模擬信號采集，數(shù)字信號只是單純的不同頻率的“高”“低”電平信號的輸入，調(diào)理電路簡單，采集也相對比較簡單，容易實現(xiàn)。而模擬信號一直以來都是科研難題，特別是高壓、高頻等性質(zhì)的模擬信號，對其調(diào)理的方式要求也很嚴(yán)格。首先根據(jù)電除塵器高頻電源的工作原理和結(jié)構(gòu)來決定數(shù)據(jù)采集的指標(biāo)以便對高頻電源的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控和故障診斷。3.3.1采樣數(shù)據(jù)研究從分析整個電除塵器高頻電源的工作原理可知，具體轉(zhuǎn)換流程見圖3-3，整個設(shè)備的電源電壓共有三次變化，電源頻率也有兩次變化。電壓等級分為4種：輸入工業(yè)三相交流電電壓380V、整流橋整流后的直流電壓580V、逆變電路逆變后的電壓和經(jīng)過變壓器后的電壓。而除了電壓的變化之外，電流信號、各種溫度監(jiān)測信號和開關(guān)狀態(tài)信號也隨著電源在不同的運行狀態(tài)而不同。因此，對各種信號量的監(jiān)測是保證設(shè)備正常運行的重要手段。圖3-3電除塵器高頻電源主回路原理圖在本電源系統(tǒng)中，需要采集的模擬量共有11個（包括6路溫度）分別為：（1）母線電壓母線電壓，即三相整流橋的輸出電壓，用于充電啟動時打開主接觸器的判斷條件，運行時要監(jiān)視該電壓。母線電壓的采樣，是通過并聯(lián)在三相整流橋輸出的三個電阻：200k、200k、2k分壓而得，采集的信號是小電阻2k兩側(cè)的壓差，屬于差分信號。因此母線電壓的采樣信號為：，設(shè)計電路時的峰值電壓：，頻率為150Hz。母線電壓仿真波形如下圖所示。圖3-4母線電壓仿真波形采集到的母線電壓信號輸入到DSP芯片中，在DSP芯片中，有特殊的控制程序?qū)π盘栠M(jìn)行“識別”，然后根據(jù)比例進(jìn)行放大后，輸出到IFIX上位機(jī)中監(jiān)控進(jìn)行，以下信號也都相同的識別過程。（2）相電流電流檢測方式可分為四種：電阻轉(zhuǎn)換電壓、分流器檢測、霍爾元件(LEM)和互感器方式。電阻轉(zhuǎn)換電壓方式功率消耗較大，容易受到干擾信號影響，而且由于電阻本身的誤差，因此很難做到高精度，所以比較適用于小功率的檢測。而分流器檢測方法由于分流器的體積過大一直不能廣泛應(yīng)用。第三種是用霍爾元件LEM檢測，雖然精度高，但由于霍爾元件是有源器件，另需額外的電源對其供電，因此對電路的復(fù)雜度有了有一定的要求；更重要的是霍爾元件的成本太高限制了其的廣泛應(yīng)用。最后一種是電流互感器，其特性、成本、精度都介于霍爾元件和電阻方式之間[1]。因此本系統(tǒng)采用交流電流互感器。相電流是三相線路供電電壓中一相的電流值。相電流的采樣是通過在供電的三相線中固定一個電流互感器，繼而互感器直接串接上一個固定電阻值，所以相電流采樣到模擬調(diào)理板上的信號是一個電壓信號（最大2V左右），頻率50Hz。下圖就是相電流的波形。圖3-5相電流仿真波形（3）一次電流一次電流是進(jìn)入變壓器初級線圈連線的電流值。其采樣方式與相電流相同，主要通過在連線上加裝電流互感器，測量電流信號。因為諧振頻率較高約10kHz，互感器鐵芯選用高頻特性較好的鐵氧體鐵芯。線圈匝比為1:200，采樣電阻值為3個0.5Ω電阻并聯(lián)，可滿足全程采樣要求。電路中設(shè)計了一次電流的積分電路，對每個波段的一次電流值進(jìn)行積分。設(shè)計過流保護(hù)電路及電流正、反向過零檢測三路比較電路，過流保護(hù)電壓值為1V對應(yīng)1200A電流。圖3-6一次電流仿真波形圖（4）高壓變壓器二次電流二次電流是變壓器輸電壓加在負(fù)載上產(chǎn)生的電流。二次電流的采樣與一次電流的采樣不同。二次電流是直流信號，而相電流、一次電流都是交流信號。而由于電流互感器只能測量交流信號，對直流信號會有“磁疊加”現(xiàn)象，使被測信號零點出現(xiàn)偏移。因此在本設(shè)計中，二次電流采用了精密電阻轉(zhuǎn)電壓方式，直接在模擬電場中，通過采集電場中其中一個電阻兩端的電壓所得的電壓信號來表示二次電流的大小。然后所得電壓信號從二次電流電壓采樣板上經(jīng)濾波后送入采集系統(tǒng)，在DSP程序中含有對二次電流的積分模塊，對每個波段的二次電流值進(jìn)行積分。（5）負(fù)載電壓（二次電壓）二次電壓，即電除塵器高頻電源的輸出電壓。二次電壓（電除塵器高頻電源的輸出電壓）采集方式也是通過在高壓采集板上的分壓電阻取得低壓小信號。下圖為二次電壓和二次電流的采集示意圖。圖3-7二次電壓、電流采樣二次電流采樣電阻要求：采樣范圍：二次電流為頻率為20kHz、峰值范圍0~4A、有效值0~1.2A的直流脈沖信號。低電感值：為減小電阻電感采用金屬膜電阻，其電感小于繞線電阻。電阻功率：隨著電阻功率和阻值增加電感也會增加，因此須對阻值與電感綜合考慮。本設(shè)計中采樣電阻實際工作功率，實際選用3W×2電阻。采樣精度：采用1%精密電阻，為提高可靠性，采用雙路0.5Ω并聯(lián)為0.25Ω。二次電壓采樣電阻與變壓器內(nèi)分壓電阻串聯(lián)，對變壓器高壓出線包負(fù)端采樣。分壓電阻為150MΩ，采樣電阻為5kΩ、1%精度。采樣范圍：二次電壓的最大輸出為72000V，頻率最大為20KHz。因此二次電壓的采樣值值。而二次電流的最大有效值為1.2A，峰值是最大有效值的4倍，因此二次電流的采樣值最大為。圖3-8二次電流、二次電壓仿真波形圖（6）變壓器油箱的油溫變壓器是高頻電源的核心部件，工業(yè)中變壓器最常用的是油浸式變壓器，其工作狀態(tài)受油的質(zhì)量、溫度影響很大，因此必須對變壓器的油溫進(jìn)行監(jiān)測，保證變壓器的正常運行。對油溫的監(jiān)測是通過PT100熱電阻來測量。將PT100探頭伸入頂部油面下約150mm左右，用于監(jiān)控變壓器內(nèi)的運行狀況，當(dāng)整流變壓器油溫超過攝氏75℃時，1s內(nèi)能發(fā)出預(yù)報警信號；超過攝氏85℃時，1s內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報警信號。變壓器內(nèi)整流橋、鐵芯及線損均為發(fā)熱源。（7）4路IGBT模塊的溫度IGBT在運行過程中會有導(dǎo)通功耗與開關(guān)損耗，表現(xiàn)為發(fā)熱，需用散熱器把熱量傳導(dǎo)到外部。在IGBT模塊內(nèi)部芯片的最大可允許結(jié)溫是150℃，一般不要超過125℃。本次設(shè)計從引用IGBT模塊內(nèi)部的NTC測溫探頭，直接測量IGBT的結(jié)溫，使保護(hù)更有效。當(dāng)該溫度超過攝氏100℃時，1s內(nèi)能發(fā)出預(yù)報警；超過攝氏120℃時，1s內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報警信號。為保證可靠性，每個IGBT模塊一個溫度探頭。（8）環(huán)境溫度采用鎧裝探頭PT100安裝于引風(fēng)機(jī)入口孔處，采集環(huán)境溫度，參與運行時溫升計算。 而本電源需要采集的數(shù)字量針對不同電廠的需求而不同，因為在部分電廠需要對高壓電源部分和低壓振打部分進(jìn)行整合，而低壓振打部分的采集信號都為數(shù)字信號。因此，高頻電源的數(shù)字信號采集的數(shù)量會有所不同。在本設(shè)計中，研究對高頻電源的數(shù)字信號的采集，暫且不論低壓振打部分，但在電路設(shè)計時應(yīng)該考慮在內(nèi)。 電除塵器高頻電源的數(shù)字信號主要是有兩種，一種是各個開關(guān)器件的狀態(tài)信號，4路，其頻率不高，一般最快也是幾秒一次。第二種是4個IGBT的故障反饋信號，也是4路，其頻率為20kHz。（1）主接觸器狀態(tài)。主接觸器位于三相電的入口處，通過對主接觸器的開通、關(guān)斷來控制設(shè)備的起停。主接觸器采用的是24V驅(qū)動信號，在其開通狀態(tài)量顯示24V數(shù)字信號。（2）風(fēng)機(jī)狀態(tài)。風(fēng)機(jī)是對變壓器郵箱的散熱通道進(jìn)行吹風(fēng)、散熱的設(shè)備，其驅(qū)動信號也是24V的數(shù)字信號，因此其狀態(tài)信號也是24V數(shù)字量。（3）控制系統(tǒng)電源供給狀態(tài)。控制系統(tǒng)的交流電由繼電器控制，繼電器采用24V的驅(qū)動信號。（4）外設(shè)電源開關(guān)狀態(tài)。為方便維護(hù)人員或電廠工作人員的不時之需，在高頻電源電器柜中引出220V交流電端口，其驅(qū)動方式與控制系統(tǒng)電源相同。（5）因為是對IGBT的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，而IGBT發(fā)生故障時能夠越快采取動作，產(chǎn)生的損害也就越小，因此，IGBT故障的反饋信號也做到20KHz。綜上所述，數(shù)字信號的采集一共有8路，分為高頻、低頻不同信號。3.4本章小結(jié)本章主要介紹了電除塵器高頻電源的控制系統(tǒng)。根據(jù)功能的不同，對控制系統(tǒng)的進(jìn)行了簡單的劃分，并簡要的說明了每個模塊主要的作用。然后在確定了電除塵器高頻電源的各個采集指標(biāo)后，對每個采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，包括頻率、幅值、波形等屬性，是后文中硬件電路設(shè)計和軟件采集的前提和基礎(chǔ)。

第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計電除塵器高頻電源的控制電路部分是以DSP處理器與FPGA數(shù)據(jù)采集核心板為平臺。DSP作為主處理器對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行收發(fā)和上位機(jī)通訊，而FPGA則是負(fù)責(zé)對電除塵器高頻電源數(shù)據(jù)的高速采集和預(yù)處理，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存和DSP傳輸。由于電除塵器高頻電源的工作環(huán)境特殊：室外、噪聲強(qiáng)、溫度高，因此受到的干擾非常大，不僅信號采集回路受到影響，其電源供電也同樣受到非常大的影響。因此在進(jìn)行供電電源設(shè)計時，特別進(jìn)行了設(shè)計。防雷擊、去共模、除差模和濾波是電源設(shè)計的主要目的。由于高頻電源的各種特殊性，所以在進(jìn)行具體的采集系統(tǒng)設(shè)計時，需要針對不同性質(zhì)、不同環(huán)境下的信號進(jìn)行有針對性的設(shè)計，但大致的整個調(diào)理流程基本一致，如圖4-1所示。圖4-1采樣信號的調(diào)理流程一般的穿心電容是一種三端電容，可以直接安裝在金屬面板上，而此處所用的穿心電容是貼片式的四端電容，其中上下兩端直接接地，信號從中間穿過去，有效的抑制了高頻噪聲信號。抑制器是整個電路的輸入門檻，起到保護(hù)后級電路的作用；濾波電路種類繁多，針對不同信號靈活運用，其中RC一階濾波器簡單，易于實現(xiàn)，可在電路中多分布運用，而對噪聲干擾嚴(yán)重、特殊的信號（比如二次電流等信號）設(shè)計濾波效果更好的二階有源濾波器；隔離電路和AD模塊分別應(yīng)用上述典型電路的設(shè)計，但必須根據(jù)具體的特殊信號進(jìn)行簡單的參數(shù)調(diào)整。4.1采集控制單元基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同于DSP或單片機(jī)等采集方式，F(xiàn)PGA是邏輯門器件，是由門級電路組成。因此其不具備單獨采集的功能，必須與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器配合使用，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)的FPGA采用的是Altera公司Cyclone系列的EP1C20F400I7。Cyclone系列FPGA是當(dāng)前市場上性價比最高的FPGA之一。該器件的用戶IO端口多，片內(nèi)邏輯單元數(shù)量大，并具有實現(xiàn)SignalTapII嵌入式邏輯分析儀等功能，且其外圍電路簡單。EP1C20F400I7特點[11]：邏輯單元20060最大用戶IO數(shù)301個M4KRAM塊64個（每個M4K為4K，本設(shè)計可配置為256*16）內(nèi)部存儲容量294912BitsPLL數(shù)量2個4.1.1FPGA的配置電路（1）FLASH存儲器在EP1C20F400I7內(nèi)部只存在RAM存儲塊，掉電內(nèi)容丟失，因此不能存儲程序。為此，Altera公司又特意開發(fā)出一系列FLASH存儲器，以配合FPGA的使用。當(dāng)程序少入FLASH后，斷電后重新上電，F(xiàn)LASH中程序會自動讀入FPGA中，保證系統(tǒng)的正常運行。本設(shè)計中配置EP1C20F400I7的FLASH芯片為EPCS4SI8N。圖4-2配置電路（2）時鐘及PLLFPGA的時鐘電路如下圖所示。圖4-3時鐘電路 Y02是有源晶振，提供48M的外部時鐘。FPGA通過對48M時鐘的倍頻、分頻構(gòu)成FPGA系統(tǒng)運行的主時鐘和數(shù)據(jù)采集時鐘。晶振是易受干擾器件，因此在其供電電源引腳采用“π”型濾波電路，保證晶振的可靠性。4.2典型電路設(shè)計4.2.1基于AD7356的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器在信號采集系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，它直接影響著輸入到FPGA信號的精度與速度。所以慎重的選擇一款性能高的ADC對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至關(guān)重要。本設(shè)計采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是AnalogDevices公司新推出的AD7356。AD7356是一款雙通道12bit、高速、低功耗的逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用2.5V單電源供電，80M的最高采集頻率和高達(dá)5MSPS的吞吐率，可以滿足大多數(shù)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集需求，更為特別的是該款芯片采用的串行通信方式，時序簡單。該器件內(nèi)置兩個ADC，各ADC之前均配有一個低噪聲、寬帶寬采樣保持電路，可處理110MHz以上的輸入頻率。兩套完整的ADC允許兩個通道同時采樣和轉(zhuǎn)換?？梢詫崿F(xiàn)兩個通道同步采樣和轉(zhuǎn)換。兩個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過獨立的數(shù)據(jù)線路同時獲得，如果僅有一個串行端口可用，則可通過一條數(shù)據(jù)線路先后獲得。通過CS輸入和一次性轉(zhuǎn)換控制能夠精確控制采樣時間，圖4-4即為AD7356的外圍電路圖[12]。圖4-4AD7356的接口原理圖該器件采用差分輸入，其范圍為共?！繴ref/2。AD7356具有內(nèi)置的2.048V基準(zhǔn)源，也可使用外部基準(zhǔn)源，本設(shè)計使用的是AD7356內(nèi)部自帶的基準(zhǔn)源。圖4-5所示為AD7356的信號調(diào)理電路設(shè)計方案。圖4-5差分電路此方案將電除塵器高頻電源的單端雙極性信號轉(zhuǎn)換為一個差分單極性信號作為AD7356的輸入。其中放大器采用的是亞德諾半導(dǎo)體（AnalogDevices）公司的AD8034。AD8034是一款高速的雙通道放大器，帶寬高達(dá)80M，具有低功耗、低成本的特點[13]。根據(jù)運算放大器“虛短”“虛斷”的特點，經(jīng)調(diào)理后AD7356輸入的電壓信號為：（4-1）（4-2）AD7356的供電電壓2.5V，根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]可知，輸入信號必須始終在GND和VDD之間，即：，。由此可以得出，差分信號的輸入電壓范圍：。當(dāng)差分電路的輸入信號幅值、頻率時，即：（4-3）代入上述兩式可得：（4-4）（4-5）實驗得到的兩路輸出波形如下圖所示：圖4-6差分電路波形圖注：1通道為輸入信號（最上方） 2通道為VINA- 3通道為VINA+根據(jù)實驗得到的波形和理論值比較，當(dāng)通過20KHz信號時，最后的延時時間小于50ns，此差分電路完全符合理論值。相對于調(diào)理電路，CPU控制模塊（DSP+FPGA）沖擊的能力較弱，為保護(hù)FPGA和DSP芯片，在調(diào)理電路和CPU控制模塊之間實行全隔離，即信號隔離和電源隔離。電源隔離采取的是不同的電源模塊，信號隔離采用的是亞德諾半導(dǎo)體公司ADuM系列的磁隔離芯片。具體隔離電路如下圖所示。圖4-7基于ADuM系列的磁隔離電路ADuM系列是一種種類繁多、功能齊全的磁隔離芯片，能夠滿足不同通道、不同方向、不同帶寬的數(shù)字信號隔離，具體選擇可根據(jù)自己的設(shè)計需求而定。對AD7356的數(shù)字隔離采用的時ADuM1402C系列，帶寬達(dá)到90M，最大延遲時間32ns。其中：VE1與VE2腳分別是兩端的使能引腳，可空置。但在噪聲環(huán)境下，建議連接高電平[14]。4.2.2模擬信號隔離電路信號隔離的主要目的就是通過隔離技術(shù)或隔離器件將噪聲干擾信號的傳輸隔斷，以此來達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。一般來說實現(xiàn)模擬信號隔離的方法有三種，分別為光電隔離、線性放大器隔離和隔離變壓器隔離等。其中，線性度最好的是變壓器隔離，但是這種隔離方式不僅成本較高，而且由于體積大不易做成IC，限制了它的應(yīng)用；線性隔離放大器雖然可以做成IC使用，但是也由于存在成本高的問題，應(yīng)用也不是十分廣泛。光電隔離方式不存在上述兩種問題，不僅成本較低，更重要的是，通過對其合理的設(shè)計同樣可以與其他方式一樣實現(xiàn)高精度的信號隔離，是一種廣泛采用的模擬信號隔離方式[15]。HCNR201是Agilent公司生產(chǎn)的一種高精度線性光耦器件，是一種用于隔離模擬信號的高精度線性光耦器件，其設(shè)計方式靈活多樣。根據(jù)現(xiàn)有的資料和應(yīng)用來看，HCNR201主要的研究集中在對直流信號的隔離。交流信號的高線性隔離要比直流信號的隔離復(fù)雜得多，這方面的研究也相對很少。HCNR201直流非線性典型值為0.01%，同時，該器件有高達(dá)1MHz的帶寬，很低的增益溫度系數(shù)（低至65*10e-6/℃）。這些特征決定了該芯片在模擬信號的隔離中有著廣泛的應(yīng)用[16][17]。采集電源輸入側(cè)和高壓側(cè)的信號，通過高速光耦HCNR201實現(xiàn)線性隔離，再經(jīng)調(diào)理后送入控制電路，以盡量減少高壓側(cè)電路對控制電路的信號干擾。信號隔離電路的原理圖如圖4-8所示。圖4-8HCNR201結(jié)構(gòu)圖線性光耦HCNR201是由一個高性能的發(fā)光二極管LED和兩個具有完全相同性能參數(shù)的PD1、PD2組成。LED是隔離信號的輸入端，當(dāng)有電流流過時就會發(fā)光，由于HCNR201的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)的特殊性，兩個光敏二極管PD1、PD2得到近似的光照。其中，光敏二極管PD1在這里是起到信號反饋作用，以消除LED的非線性和偏差特性帶來的誤差，改善輸入和輸出電路間的線性和溫度特性，穩(wěn)定電路的性能[15]。光敏二極管PD2作為線性光耦的輸出，其輸出電流與LED發(fā)出的光線強(qiáng)度成正比，并起到輸入與輸出電路間的電流隔離的作用，三者的關(guān)系如下公式所示（4-6）（4-7）:流過LED的電流:流過PD1的電流:流過PD2的電流根據(jù)芯片手冊可得知：。正是HCNR201內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)、PD1和PD2的嚴(yán)格比例關(guān)系及PD1負(fù)反饋的作用保證了線性光耦的高穩(wěn)定性和高線性度。如圖4-9所示，是HCNR201與兩個運算放大器構(gòu)成的典型隔離模塊。圖4-9基于HCNR201的隔離模塊整個隔離模塊中運算放大器U1B將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號通過光耦HCNR201，而放大器U1A的作用是將電流信號轉(zhuǎn)換為輸出的電壓信號，并增強(qiáng)負(fù)載的驅(qū)動能力。R1起限流的作用，R2控制著LED的發(fā)光強(qiáng)度。C1，C2是運算放大器的反饋通道，同時對高頻噪聲信號起到了兩級削弱的作用。設(shè)整個隔離模塊的輸入為,隔離輸出為，可以得到：（4-8）（4-9）由PD1和PD2的參數(shù)完全相同，因此，可得以下公式：（4-10）所以，R1與R3相同時，。根據(jù)上述對隔離模塊的具體分析和二極管的單向?qū)щ娦钥芍?，此模塊只適合對正向信號隔離，不能通過負(fù)向信號。4.2.3RC濾波電路抑制干擾的措施很多，其中RC濾波器是最為常見，同時也是種類最多的措施之一。RC濾波器有很多種類型，按功能分有四大類，即高通濾波器、低通濾波器、帶阻濾波器和帶通濾波器。在本設(shè)計中，因為設(shè)備的主要干擾是高頻噪聲干擾，因此，主要應(yīng)用的是低通濾波器。低通濾波器分有源低通濾波器和無源低通濾波器兩種。而有源低通濾波器又分為一階、二階和高階等。有源濾波器是在無源濾波器的基礎(chǔ)上引入了集成運放，因此其通帶的電壓放大倍數(shù)和帶負(fù)載的能力得到了提高。在設(shè)計中，更重視的是濾波器的濾波效果，因此對干擾較少的信號采用RC濾波器，而干擾較多信號采用無源濾波和二階有源濾波器的結(jié)合。（1）一階無源低通濾波器圖4-10RC典型電路如圖4-10所示，為典型RC電路。設(shè)Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓。由電路可得其傳遞函數(shù)（放大倍數(shù)）：(4-11)令：，為電路的截止頻率，可得（4-12）注：為輸入信號頻率由此可看出，當(dāng)輸入信頻率大于時，隨著頻率的升高，放大倍數(shù)將降低，由此可得“低通”的特性。當(dāng)計算截止頻率的RC選取時，采取的原則是R越小，帶負(fù)載能力越強(qiáng)，反之越弱。（2）二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器是兩級RC低通濾波器和集成運放組成，具體電路如下圖所示。圖4-11二階有源低通濾波器一般的二階濾波器，是兩個一階濾波器串聯(lián)，即兩個電容的下端接地。但是，上圖的接法相當(dāng)于在在有源濾波器中引入了一個反饋，這樣使電壓在高頻段迅速下降，對高頻干擾信號的抑制效果更顯著。同時，在接近于截至頻率的范圍內(nèi)又不要下降太多，從而有利于改善濾波特性[18]。令，，根據(jù)運放特性可得：M點電流方程：（4-13）P點電流方程：（4-14）通帶放大倍數(shù)：（4-15）其中；最后解出傳遞函數(shù)：（4-16）其中截止頻率，則放大倍數(shù)為 （4-17）4.3高頻電源模擬信號采集電路設(shè)計4.3.1母線電壓采集電路由圖3-4電除塵器高頻電源主回路原理圖可知，母線電壓即工業(yè)三相電經(jīng)過橋式整流橋后的電壓，其采集方式?jīng)Q定了其差分信號的性質(zhì)。對差分信號調(diào)理的難度、成本都比單端信號調(diào)理增加很多，因此在對后級的濾波、隔離之前，需將母線電壓的差分信號變?yōu)閱味诵盘?，而且由于母線電壓信號是在高頻電源的開關(guān)管的前級，所以，所受干擾不是很嚴(yán)重，用常用的RC低通濾波器即可。隔離模塊之前的采集電路圖見圖4-12。圖4-12母線電壓采集電路輸入電壓：（4-18）運放正極電壓（上圖U309的3腳）：（4-19）根據(jù)運放“虛短”“虛斷”原則，U309運放正負(fù)級電壓相等。因此母線電壓的采集電路輸出電壓Vn可表示為：（4-20）（4-21）4.3.2相電流采集電路相電流是通過加在380V的供電線路上的電流互感器采集到的電流信號，信號的屬性是交流電，幅值±2V，頻率為50Hz。根據(jù)相電流的信號屬性，對相電流做具體設(shè)計，因此在輸入前級的抑制器應(yīng)該用的是雙向5V抑制器。且因為隔離模塊和信號需求原因，對輸入信號做絕對值處理，具體電路設(shè)計如下圖所示。圖4-13相電流采集電路具體電路的分析，設(shè)運放U325A的第2腳的電壓為，R663、D309與R662連接點的電壓為，運放U325B的第6腳的電壓為。a：當(dāng)輸入的電壓為正時，即。運放U325A是負(fù)反饋連接，可知，D302與D309回路不通。于是：（4-22）（4-23）考慮運放的“虛斷”“虛短”的特性，將具體數(shù)值代入以上兩式可得：（4-24）b：當(dāng)輸入的電壓為負(fù)時，即運放U325A是負(fù)反饋連接，可知，當(dāng)時，此節(jié)點沒有電流流入，即此處斷開。因此輸入電壓只流過R665回路，相當(dāng)于只經(jīng)過U325B一處放大電路。因此有：（4-25）考慮運放的“虛斷”“虛短”的特性，將具體數(shù)值代入上式可得（4-26）由公式（4-24）（4-26）可知（4-27）由以上分析可知，整個絕對值電路的工作原理。其中C450的作用是通高頻噪聲信號，削弱高頻噪聲信號的強(qiáng)度。4.3.3一次電流采集電路一次電流采樣信號調(diào)理與相電流的調(diào)理過程相同，也是運用絕對值電路對電流信號做正向處理。圖4-14一次電流調(diào)理輸出電路軟開關(guān)技術(shù)的運用需要對一次電流的零點進(jìn)行瞬時判斷，而通過對一次電流進(jìn)行AD采樣來捕捉其零點，其實時性受到模數(shù)轉(zhuǎn)換器和FPGA到DSP板傳輸速度的限制，有可能造成延時過長，在較大電流處開關(guān)設(shè)備，引起較大的開關(guān)損耗。為保證能準(zhǔn)確、實時的對一次電流的零點捕捉，對一次電流設(shè)計過零判斷電路。如下圖所示。圖a圖b圖4-15一次電流過零檢測上圖中圖（a）是一次電流的正向過零檢測，圖（b）是反向過零檢測電路。將一次電流同時引入正向、反向過零檢測電路。通過電壓比較芯片LM393對過零點比較，LM393輸出的是數(shù)字量信號，當(dāng)正極電壓高于負(fù)極電壓時，輸出“1”，反之則輸出“0”[19]。輸出的數(shù)字量信號在經(jīng)過光電耦合器ACPL-061L后，進(jìn)入FPGA芯片。4.3.4二次電壓采集電路二次電壓是電除塵器的供電電壓，即為電除塵器高頻電源的輸出電壓，屬于直流型電壓。而且二次電壓位于高頻開關(guān)管的后級，受到很嚴(yán)重的噪聲干擾，因此簡單的RC濾波器已經(jīng)滿足不了要求，在本設(shè)計中采用二階有源濾波器對其進(jìn)行濾波、調(diào)理，具體電路見圖4-16。其中因為相對于大地而言，二次電壓是負(fù)高壓，因此在設(shè)計采集電路時特別注意反向的問題。圖4-16高頻電源輸出電壓采集電路二次電壓的直流特性決定了電路入口處的抑制器的單向性，通過穿芯電容和二階低通濾波器后，信號經(jīng)過了一個放大反向電路。輸出的電壓.幅值就放大為輸入信號的1/2：（4-27）4.3.5二次電流調(diào)理電路從采樣板采集的二次電流Iout+作為電除塵器高頻電源的輸出電流，其調(diào)理電路與二次電壓大致相同，采用二階有源低通濾波器電路。具體采集電路見圖4-17。圖4-17二次電流調(diào)理輸出電路前端的調(diào)理與二次電壓相同，最后的放大電路時，對信號縮小了1/5，以減小最后在程序中的積分的幅值。4.4溫度采集電路現(xiàn)如今對設(shè)備溫度采集的主要手段是利用紅外測試和溫度傳感器兩種。由于紅外測試的成本較高，且其更注重于手持式設(shè)備的應(yīng)用。在工業(yè)上，溫度采集的手段更多的還是依靠溫度傳感器來實現(xiàn)，高頻電源的溫度采集采用的傳感器是熱敏電阻。4.4.1溫度采集元件PT100PT100是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的溫度傳感器，在-50℃~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)等，主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。PT100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比，但為非線性關(guān)系，因此需要進(jìn)行非線性校正。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0℃時它的阻值為100歐姆，在100℃時它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而增長的。PT100的測量方法主要分兩種，一種是恒流恒壓法，一種是通用傳感器接口UTI法。在傳統(tǒng)的儀器儀表中，一般都采用恒流恒壓法，在構(gòu)建恒流或者恒壓法后，在利用歐姆定律，算出PT100的阻值，然后查詢分度表，得到溫度。這種方法最簡單也最通用。傳統(tǒng)的方法雖然簡單，但是有很多不足。使用通用傳感器接口芯片，只需要一個對溫度不敏感的參考電阻，把PT100接上UTI的電路，可以通過MCU得到PT100和參考電阻的比例，從而得到阻值和溫度。這種方法非常適用于基于微處理器（MCU）的系統(tǒng)，UTI所有的信息只通過一MCU兼容的信號輸出，這樣大大的減少了各分立模塊之間的外接線和耦合器，就本系統(tǒng)而言，對高頻電源的幾個需要采集溫度的部件而來說，不需要太過精密的溫度采集。因此選擇傳統(tǒng)的采集方法更適合。PT100熱電阻采集模塊是一種具有廣泛應(yīng)用前景的全數(shù)字化PT100熱電阻采集模塊，使用該模塊可使溫度監(jiān)控變得十分容易，PT100熱電阻采集模塊可接兩線制、三線制、四線制PT100熱電阻，當(dāng)采用三線四線時，模塊可對線阻進(jìn)行有效地補(bǔ)償。使電纜的長度不影響采集精度。該模塊在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和工業(yè)自動化等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，具有極優(yōu)的性價比。圖4-18PT100四線制示意圖為精確測量，減小測試線電阻引入的明顯誤差，PT100選用四線制封裝。四線測量用兩條附加測試線提供恒定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降。在AD輸入阻抗足夠大的情況下，電流幾乎不流過AD，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降。4.4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7711AD7711是一款A(yù)nalogDevice公司推出的用于低頻測量應(yīng)用的雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接接受來自傳感器的低電平信號，并產(chǎn)生串行數(shù)字輸出。它采用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，可實現(xiàn)最高24位無失碼性能，具有抗干擾能力強(qiáng)、受噪聲環(huán)境影響小的優(yōu)點。輸入信號加在一個以模擬調(diào)制器為基礎(chǔ)的專有可編程增益前端[16][20]。該器件具有一個差分模擬輸入、一個單端模擬輸入和一個差分基準(zhǔn)電壓輸入。一般而言，其中一個輸入通道將用作主通道，而另一個通道將用作輔助輸入，用來定期檢測第二電壓輸入。如果模擬輸入上的輸入信號高于-30mV，則該器件可采用單電源供電（將VSS引腳與AGND相連）。將VSS引腳接負(fù)電壓時，該器件可轉(zhuǎn)換低至-VREF的輸入信號。該器件提供兩個電流源，可用來在三線式和四線式RTD配置中提供激勵。因此，AD7711能處理單通道或雙通道的信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換。AD7711非常適合基于微控制器的智能系統(tǒng)應(yīng)用。利用雙向串行端口，可在軟件中進(jìn)行增益設(shè)置、信號極性選擇、輸入通道選擇和RTD電流控制配置。AD7711含有自測量校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和后臺校準(zhǔn)選項，同時允許用戶讀取和寫入片內(nèi)校準(zhǔn)寄存器[21]。如下圖4-19所示，即為AD7711的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖4-19AD7711內(nèi)部框圖4.4.3溫度采集電路設(shè)計高頻電源設(shè)備需要溫度監(jiān)控的部分主要有高頻率開關(guān)器件和變壓器工作條件等，原因是這幾個部分都是高頻率動作和交直流轉(zhuǎn)換，容易造成發(fā)熱嚴(yán)重，以致?lián)p壞器件。根據(jù)第三章中對采集數(shù)據(jù)的分析可知，高頻電源中的溫度監(jiān)控對象有6個，設(shè)計中留有2個作為備用、擴(kuò)展需要。因此總的溫度采集回來一共8路。因為溫度信號是慢速信號，所以采用多路復(fù)用的模式對8路信號進(jìn)行采集（程序設(shè)計時只需考慮實際的6路即可）。為保證報警信號的及時性，選擇切換頻率為20Hz，即每250ms對一路溫度進(jìn)行信號采集。多路復(fù)用芯片采用的是Maxim公司在2010年新推出的一款性能優(yōu)越的模擬多路復(fù)用器——DG508ADY[22]，DG508ADY采用的是寬電壓供電，最高可達(dá)±18V，通態(tài)電阻為170Ω，而其開關(guān)頻率更是可以高達(dá)500KHz，完全能夠滿足設(shè)計需要。具體采用恒流恒壓法的電路見圖4-20和圖4-21所示。圖4-20溫度采樣電路圖4-21AD7711外圍電路配置四路模擬開關(guān)DG508ADY控制著8路溫度采集信號的選通，這4路模擬開關(guān)使用相同的選通信號和使能信號，這樣就能保證每次對同一路信號的開通。4.5模擬信號采集電路仿真及實驗結(jié)果分析在完成上述的電路設(shè)計后，需要對設(shè)計的正確性進(jìn)行驗證。但由于實驗條件有限，因此，只能對電路的功能實現(xiàn)方面進(jìn)行驗證，實驗的目的檢驗輸入、輸出的波形是否達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，驗證的主要指標(biāo)為信號的幅值和延時。硬件調(diào)試平臺為一臺DDS函數(shù)信號生成器和示波器。下面就針對上述的五路調(diào)理、采集電路做出檢測結(jié)果，檢測的波形為兩部分，1：設(shè)計之初的電路仿真波形和實物電路板的波形對比；2：信號輸入波形和信號經(jīng)過調(diào)理電路后波形對比。具體實驗波形如下圖所示。（1）母線電壓調(diào)理電路的實驗結(jié)果DDS函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出的輸入信號為頻率4KHz，幅值正±2.5V正弦波，得到的波形如下圖所示：圖4-22（a）母線電壓仿真波形圖4-22（b）母線電壓實際輸出波形出現(xiàn)上述波形主要是因為電路入口處所用的單相抑制器作用，單向抑制器與二極管相同具有單向?qū)щ娦?，?dāng)加在單向抑制器兩端的電壓為正向時，抑制器導(dǎo)通，與地連接。至于波形出現(xiàn)反向的電壓，主要原因是抑制器具有導(dǎo)通電壓，而每種抑制器的導(dǎo)通電壓也不盡相同，但因為在后級電路中有基于HCNR201的單向光電隔離電路，因此方向電壓的大小不會對最后結(jié)果造成影響。結(jié)論：實際輸出波形和設(shè)計之初所要達(dá)到的結(jié)果一致。（2）相電流調(diào)理電路的實驗結(jié)果DDS函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出的輸入信號為頻率100Hz，幅值正±1V正弦波，得到的波形如下圖所示：圖4-23（a）相電流仿真波形圖4-23（b）相電流實際輸出波形由于相電流的采樣時交流電，因此所用的保護(hù)抑制器是雙向抑制器，因此沒有單向?qū)ㄐ?。結(jié)論，實際輸出波形和設(shè)計之初所預(yù)定的波形一致（3）一次電流調(diào)理電路的實驗結(jié)果DDS函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出的輸入信號為頻率20KHz，幅值正±1V正弦波，得到的波形如下圖所示：圖4-24（a）一次電流仿真波形圖4-24（b）一次電流實際輸出波形一次電流與相電流的采集電路大致相同，只是在帶寬方面，一次電流的頻率更高。結(jié)果，實際輸出波形和設(shè)計之初所預(yù)定的波形一致。（4）二次電壓調(diào)理電路的實驗結(jié)果DDS函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出的輸入信號為頻率20KHz，幅值正±2.5V正弦波，得到的波形如下圖所示：圖4-25（a）二次電壓仿真波形圖4-25（b）二次電壓實際輸出波形結(jié)論，實際輸出波形和設(shè)計之初所預(yù)定的波形一致。（5）二次電流調(diào)理電路的實驗結(jié)果DDS函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出的輸入信號為頻率20KHz，幅值正±2.5V正弦波，得到的波形如下圖所示：圖4-26（a）二次電流仿真波形圖4-26（b）二次電流實際輸出波形結(jié)論，實際輸出波形和設(shè)計之初所預(yù)定的波形一致。4.6高頻電源數(shù)字信號采集電路設(shè)計數(shù)字信號也就是高低電平，電除塵器高頻電源的數(shù)字信號包括繼電器、主接觸器等開關(guān)器件的狀態(tài)量信號和驅(qū)動保護(hù)電路中逆變晶閘管IGBT是否正常工作的狀態(tài)量信號。繼電器、主接觸器等開關(guān)狀態(tài)量的信號屬于低頻信號，調(diào)試頻率在3Hz~10Hz之間；而IGBT的故障狀態(tài)信號則是隨著電除塵器高頻電源的功率的不同而不同，取其在高頻電源最高頻率下的反饋速度為20KHz。由此，對高頻電源的數(shù)字信號采集電路也分為低頻、高頻兩種。以下針對兩種不同頻率的數(shù)字信號設(shè)計有針對性的調(diào)理、采集電路。4.6.1低頻數(shù)字信號采集電路設(shè)計高頻電源的數(shù)字量是設(shè)備中各個繼電器、主接觸器的開關(guān)狀態(tài)量，在前文的數(shù)據(jù)采集分析中可知，電除塵器高頻電源中所用的繼電器都是24V的歐姆龍系列，主接觸器也采用的是施耐德24V驅(qū)動型的系列，設(shè)備中總共應(yīng)用一個主接觸器和3路繼電器。但為滿足部分低壓振打的整合要求，需要對12路低壓振打電路的24V繼電器采集狀態(tài)量。因此，采集的數(shù)字量為12路電壓為24V、頻率范圍為3Hz~10Hz的信號。為減少成本和過多依靠硬件帶來的誤差率，對慢速數(shù)字量信號的采集采用的是并轉(zhuǎn)串的讀取方式。數(shù)字量并轉(zhuǎn)串的采集芯片采用的是TexasInstruments公司的CD74HC165M。CD74HC165M是一款高速CMOS邏輯8位并行輸入/串行輸出移位寄存器的芯片[23]。其中通過輸入引腳DS和輸出引腳Q7的連接，可實現(xiàn)多片CD74HC165M的級聯(lián)，從而減小引腳的占用。在此設(shè)計中數(shù)字量采集電路的典型電路如下圖所示（以一片CD74HC165M為例）圖4-27數(shù)字信號調(diào)理、采集電路由電路圖可知，繼電器、接觸器等數(shù)字量的狀態(tài)量信號在進(jìn)入采集電路后首先經(jīng)過的也是一個28V的抑制器，對尖峰的干擾信號進(jìn)行抑制，以保護(hù)后級電路。24V的數(shù)字量信號對后級的各種IC芯片來說，電壓過大，因此采取最簡單的電阻分壓電路，對信號進(jìn)行3.3/13.3的分壓。分壓得到約為5.95V的信號，但實際中由于電阻的誤差等原因，得到的只是參差不齊的電壓信號，而且為避免有較高電壓竄入后級電路，必須對分壓后的信號做一個緩沖處理。因此，在這種情況下，作為緩沖或驅(qū)動芯片就必須擁有較寬的輸入范圍，以滿足要求。ULN2003雖然一般用作大電流場合下的驅(qū)動芯片，但其輸入范圍為0~30V的寬電壓[24]。因此在此作為一個緩沖芯片。經(jīng)過ULN2003后的電壓信號，輸出到CD74HC165M的信號都為5V的數(shù)字量，此時，可對其編程采集。4.6.2高頻數(shù)字信號采集電路設(shè)計電除塵器高頻電源的高頻數(shù)字信號是反映IGBT工作正常與否的狀態(tài)量信號。由上文對主電路的分析可知，設(shè)備中用于逆變回路的IGBT總共是4個，因此在驅(qū)動保護(hù)電路對IGBT的有4個狀態(tài)量反饋信號，屬性為15V、20KHz的方波信號。具體其調(diào)理電路如下圖4-28所示。圖4-28高頻數(shù)字信號調(diào)理、采集電路由電路可得，15V故障方波信號在經(jīng)過100pF穿芯電容濾波后，直接進(jìn)入光電隔離芯片的輸入引腳，經(jīng)隔離后，通過簡單的RC低通濾波器進(jìn)入FPGA中。雙路光耦隔離芯片ACPL-054L是安華高科（Avagotech）在2011年新推出的一款隔離芯片。其性能比HCPL系列光電隔離芯片更勝一籌。它的供電電壓更寬，從DC2.7V~24V，因此其輸出、輸入可直接與CPU連接。而且其帶寬達(dá)到1M[25]。4.7本章小結(jié)本章主要對整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，包括對FPGA控制單元、典型電路和電除塵器高頻電源的各個采集電路。其中典型電路包括濾波電路、隔離電路和AD采集電路。其中典型電路并不是對所有電路通用，應(yīng)用到各個具體電路中時，需要根據(jù)具體電路的頻率、幅值來對其中的參數(shù)設(shè)置。電除塵器高頻電源的數(shù)據(jù)采集電路包括模擬信號、數(shù)字信號、高頻信號和低頻信號，在本章中都做了比較詳細(xì)的設(shè)計說明。硬件電路設(shè)計的主要兩個指標(biāo)就是：頻率和幅值。頻率不僅是指能夠通過電路的帶寬，也要保證最后輸出結(jié)果的延時時間滿足實時性要求；而幅值也不僅是指最后輸出的結(jié)果在理論計算誤差之內(nèi)，也要通過觀察波形是否正常來判斷幅值是否滿足要求。因為內(nèi)容限制，上述的實際實驗結(jié)果沒有給出所有節(jié)點的波形，只給出了結(jié)果和設(shè)計之初的仿真波形對比，以證明本設(shè)計的正確性和真實性。整個硬件設(shè)計的PCB圖件附錄圖1，實物圖見附錄圖2。

第五章系統(tǒng)軟件采集實現(xiàn)在上一章完成了采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，并且最終的實驗結(jié)果和設(shè)計的理論計算大致相同。硬件設(shè)計的目的是將采集的模擬信號、數(shù)字信號都轉(zhuǎn)換為一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量形式。而對這些轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量信號的“收集”則由FPGA來完成。在硬件原理設(shè)計后可知，針對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集芯片主要有3種，一種是快速模擬信號的采集芯片AD7356，第二種是采集低頻模擬信號，比如溫度信號的AD轉(zhuǎn)換芯片AD7711，第三種是對低頻數(shù)字信號采集的移位寄存器芯片。整個FPGA軟件設(shè)計流程如下圖所示。圖5-1信號的軟件調(diào)理流程在采集完數(shù)據(jù)后，為保證數(shù)據(jù)的可靠、精確性，一般對信號做數(shù)字濾波處理。其中針對數(shù)字信號、模擬不同性質(zhì)的信號，在FPGA中靈活的采用不同的濾波算法。數(shù)字濾波的內(nèi)容在下一章中將詳細(xì)介紹。下面就以上三種不同的采集芯片，設(shè)計對應(yīng)的采集模塊。5.1高速采集模塊系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集芯片AD7356與FPGA芯片之間采用的通信模式是串行通信模式，轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采樣使用易于與微處理器或數(shù)字信號處理器（DSP）連接的標(biāo)準(zhǔn)控制輸入。根據(jù)串行通信模式的特點，通過有限狀態(tài)機(jī)對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集通信。AD7356的采集時序簡單，容易實現(xiàn)，其工作時序如下圖所示。圖5-2AD7356的工作時序圖CS信號的下降沿標(biāo)志著整個采集模塊的動作開始。轉(zhuǎn)換時間由SCLK頻率決定。CS下降沿將采樣保持器置于保持模式，同時器件對模擬輸入進(jìn)行采樣，總線脫離三態(tài)，轉(zhuǎn)換也在此時啟動。在AD_CS變?yōu)榈碗娖胶螅袝r鐘的前兩個下降沿會提供兩個前導(dǎo)零，然后才會在輸出12位結(jié)果[12]。根據(jù)上述的時序分析，可得AD7356的采集時序的狀態(tài)機(jī)描述。圖5-3AD7356時序狀態(tài)機(jī)在QuartusII中編程可得最后的電路模塊。圖5-4AD7356程序模塊程序中以inclk_200M為主時鐘輸入，頻率為200M，由外部48M晶振經(jīng)過50/12倍頻后得到。AD7356的輸入是時鐘頻率為adclk_50M（50MHz），數(shù)據(jù)吞吐量為1.5M。為驗證采集程序的正確性，對采集模塊進(jìn)行仿真分析。QuartusII中自帶的波形仿真文件已經(jīng)不能滿足要求。所以，采用Altera公司指定的、可嵌入Quartus中的仿真軟件——Modelsim。如圖5-5所示為AD7356的時序仿真圖。圖5-5AD7356的時序仿真圖5.2溫度采集模塊AD7711有兩種工作模式，內(nèi)部時鐘模式和外部時鐘模式。將MODE引腳設(shè)為低電平時，AD7711工作在外部時鐘模式，此時，AD7711的SCLK引腳為輸入模式，由外部控制芯片提供串行時鐘輸入，本系統(tǒng)采用的是外部時鐘輸入模式。在外部時鐘模式下，通過控制A0引腳的電平來確定是對控制寄存器還是輸出寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，A0為高電平時訪問輸出/校正寄存器，A0為低電平時訪問控制寄存器；DRDY引腳在輸出寄存器有新的數(shù)據(jù)時置低電平，并且保持低電平直到數(shù)據(jù)被讀取，在此器件輸出寄存器以設(shè)定的數(shù)據(jù)更新率更新數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被讀取后，DRDY置高電平；在數(shù)據(jù)讀取的過程中如果有數(shù)據(jù)更新，此數(shù)據(jù)將被丟失[21]；圖5-6AD7711讀操作時序圖如上圖所示，（1）在RFS為低電平時對AD7711進(jìn)行讀寫操作；（2）數(shù)據(jù)讀取方向為從高位到低位；（3）數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被讀?。唬?）在RFS的上升沿，SDATA輸出中斷，而DRDY會保持低電平直到所有數(shù)據(jù)被讀出，當(dāng)RFS回到低電平，SDATA輸出被激活，期間更新的數(shù)據(jù)將丟失[17]；表5-1AD7711控制寄存器位數(shù)功能號位數(shù)功能號FS0B/UFS6G0FS1B0FS7G1FS2ROFS8G2FS3WLFS9MD0FS4PDFS10MD1FS5CHFS11MD2MSB為MD2，LSB為FS0；MD2、MD1、MD0確定AD7711工作方式，詳見參考文獻(xiàn)[21]；G2、G1、G0用來確定輸入通道的增益，從1～128，詳見詳見參考文獻(xiàn)[21]；CH用來確定輸入通道，0為AN1，1為AN2；PD＝0為掉電模式，PD＝1為正常模式；RO＝1