基于LMS自適應算法的電力載波高速數據采集模塊的研究

廣東省輸變電工程公司 劉積鴻

基于LMS自適應算法的電力載波高速數據采集模塊的研究

廣東省輸變電工程公司 劉積鴻

本論文旨在研究一種新式電力載波數據采集模塊，該模塊用于解決電力載波測量過程中的電壓、電流、溫度等實時數據的傳輸瓶頸問題。本文在分析自適應LMS算法結構的基礎上，以FPGA為控制核心，采用一種基于流水線操作和并行結構的自適應LMS算法的設計，完成采集模塊的硬件層高速數據傳輸。本文最后用Hspice仿真工具對硬件電路進行了仿真，仿真結果表明，實時檢測數據的傳輸延時小于2ms，可以很好的滿足載波測量過程的信號預處理需求，同時保證了系統控制的靈活性。

LMS算法；并行流水線；verilog-XL功能時序；Hspice仿真

1.引言

本論文旨在研究一款新式電力載波數據采集模塊，用于解決傳統模塊的數據傳輸速率受限問題。采集模塊以Alter公司的EP2C35系列的FPGA為核心，進行基于LMS自適應算法的研究和設計工作，整個采集模塊分為存儲模塊、權值計算模塊、調整誤差計算模塊和總控制模塊4部分，實現對采集過程中的電壓、電流、溫度等實時數據的高速傳輸，仿真表明：該采集模塊可以很好的滿足對信號預處理數據傳輸的需要，可實現對電力設備的運行環境進行綜合分析。

在高速數字信號采集、處理領域，現場可編程邏輯器件(FPGA)處理器起著越來越重要的作用，作為算法實現的硬件基礎和實時性保證，目前FPGA技術的高速發展，已具備了在一FPGA芯片中嵌入整個或大部分數字系統的條件。自適應數據采集（Adaptive Data Acquisition）主要研究一類結構可變的數據采集方法，可以通過自身與外界環境的接觸來改善數據采集的性能，以達到理想的數據采集速度和精度。

本文依據數據采集模塊的實現原理，運用Cadence的設計軟件，設計了一款性能、時序、功耗整體符合設計要求的采集模塊。首先配置了一個具有NIOSⅡ軟核處理器、存儲器、通用I/O口、定時器和通訊接口，組成一個片上采集Soc系統模塊。基于LMS自適應硬件算法均使用原理圖輸入與Verilog HDL語言描述相結合的方式來實現，總體設計采用以Avalon交換架構為主線，從頂端到底層逐步細化，先模塊后整體的方法進行，并用Hspice仿真工具對具體的硬件電路進行了仿真。本文在一塊FPGA核心基片中實現嵌入式處理器、存儲器、傳感器控制模塊、通用外設和復雜控制算法等集成，使得電路板面積得以大大縮小。

2.LMS算法結構分析

自適應濾波的研究始于20世紀50年代末，Hoff最早提出了最小均方(LMS)算法。LMS算法的結構簡單，計算量不大，且易于在硬件處理器中實現。LMS算法的權值估計的過程為：估計二次型表面關于權值的梯度，將權值沿梯度減小的方向移動一小步。每移動一小步的固定數值我們稱之為步長，我們將移動的步長取到無限小，就可以得到零誤差的近似解。

LMS算法即最小均方算法，它不是取的短項平均值的差來作為均方誤差 的梯度估計值，而是簡單的取 本身作為 的估值。因此該算法的計算量小，易于實時實現。

自適應最小均方算法的原理如下：

(1)式中YK為系統的當前輸出值。

(2)式中dk為設定輸出，是系統的理想輸出； 為調整誤差，用它來實現權值的調整；Wk為可調權向量，Wk={w0，w1，w2，…，wL}；Xk為輸入樣本向量，Xk={X0，X1，X2，…，XL}；L為權值。在自適應過程的每次迭代時，LMs算法有如下的梯度估值的形式：

由權值迭代的原始公式及式(3)可以推導出形如式(4)LMS算法的權值迭代公式：

式中μ為步長，用于控制穩定性的增益。在保證權值收斂的取值范圍內，μ值越大自適應的速度越快，但會產生相應的大超調。我們對于μ值大小的選取，以系統的實際需求為準。

LMS算法的計算過程：

如圖l所示，LMS算法的執行過程如下：(1)輸入XK與權值WK的各分量，將其對應相乘并累加求和得到實際輸出YK；(2)將實際輸出YK與期望輸出DK相減，計算出調整誤差εk；(3)調整誤差εk與步長的2倍即2μ相乘，得到一個中間結果A；(4)中間結果A再與輸入XK相乘又得到一個中間結果B；(5)中間結果B是一個向量，它與原來的權值的每一個分量對應相加，從而得到新的權值向量。(6)把新的權值向量再與新的輸入向量組合進行(1)到(5)步驟的操作，如此循環下去直至求出自適應結果。當權值數較多時，用流水線操作并行結構設計的方法實現FPGA主控器和多個實時檢測數據的通訊。

3.基于LMS算法的采集模塊實現

根據LMS算法的計算過程及易于在硬件中實現性，我們把步驟(1)、(2)合并在一個模塊中，定義為調整誤差計算模塊；把步驟(3)～(5)進行組合成另一個模塊，定義為權值計算模塊；為了能在FPGA芯片上實現LMS算法，還需要權值存儲器和輸入信號存儲器來達到權值和輸入信號的時分復用的效果。權值存儲模塊由權值存儲器和輸入信號存儲器組成。圖2表示了系統的基本結構。

圖1 LMS算法的實現原理框圖

圖2 基于LMS算法的FPGA的各個組成模塊

圖3 調整誤差計算模塊的控制碼時序

圖4 端口電路的Hspice功能仿真

圖5 端口硬件的自適應濾波仿真

3.1 總控制模塊

總控制模塊是該系統的核心模塊，該模塊的主要功能有：(1)初始化各模塊；(2)產生控制信號，控制每個模塊完成其的功能；(3)協調各個模塊的操作，使FPGA內部數據采集、傳輸以流水線方式工作。

FPGA總控制模塊的實現電路有兩種形式：一種是微程序(微代碼)控制單元；另一種是外部傳感器的數據總線連線實現的控制單元，即硬件線式的控制單元。本文在此采用的是第一種形式的微程序控制單元，通過產生控制碼來實現對系統的控制。

3.2 調整誤差計算模塊

該模塊的邏輯單元用硬件描述語言可以很方便地實現。該模塊的功能是：(1)計算系統的輸出結果；(2)計算調整誤差，用來進行權值的調整。圖3所示為誤差計算模塊的控制碼組的時序仿真波形。在圖3中，在C[7..O]=00000000時，初始化整個模塊；C[7..O]=01000000時至01llllll時，從輸入信號模塊與權值存儲模塊讀取數值，并進行運算，寄存器的輸入為加法器的輸出實現累加；當C[7..O]=10000000時，將硬件輸出狀態記錄并保存，寄存器清零。

3.3 權值計算模塊

該模塊的時序邏輯控制也采用控制碼的方法實現，以一個乘法器和一個寄存器的組合的形式實現系數調整單元。乘法器的一個輸入端是常數，即步長μ。通過改變這個輸入端的值可以實現不同的步長，以滿足不同的收斂速度和失調。寄存器的作用是進行合理的舍位處理，以免位長過長，影響后面的計算。另外，乘法器和存儲模塊的乘法器時分復用，在不影響實時性的情況下可以提高資源利用率。

3.4 存儲模塊

EP2C35系列FPGA存儲模塊有輸入信號存儲器和權值存儲器兩部分組成。同時采用兩組存儲器有利于采用流水線的操作方式，這樣可以使讀操作和寫操作獨立進行。

4.Hspice硬件仿真

4.1 多數據采集信號的功能仿真

利用硬件描述語言進行功能仿真時，由于涉及到多個外部數信號的采集，在此把采集方式設定為：上升沿、下降沿、多邊沿以及直線和反相器等幾種信號的實時采集。對應不同的觸發脈沖，圖4給出了上升沿、下降沿觸發和雙沿觸發的輸出仿真圖形。

在前三個時鐘周期，在OUTCLK上升沿到來時，將從CLB-SEL1所采集的信號輸送到Verilog-Out處，控制信號O-SEL1，O-SEL2，O-SEL3，O-SEL4電平的設置分別為1，O，1，O；在第四到第六個時鐘周期之間，即在時鐘信號的上升沿和下降沿都會將從CLB-SELl采集到的信號送到輸出端Verilog-Out，這時控制端O-SEL1，O-SEL2，O-SEL3，O-SEL4分別設置為O，O，0，0，這時與其他控制項的設置無關，即直接將輸出信號通過最后的選擇器。

對于端口硬件的自適應濾波仿真如圖5所示，在8位權值的自適應橫向濾波仿真器中，濾除上升沿、下降沿、雙沿以及正弦信號的系統躁聲。在權值的初始值全為0時，采集權值的位長為16位，精度為13位。從圖5（左）可見，采集數據收斂速度比、較慢。當權值的初始值為1，O跳變時，收斂速度教快，圖5（右）可見。由此，可以驗證基于LMS算法正確，采集的精度和準確級達到設計要求。

5.結束語

本文分析了基于EP2C35系列FPGA的高速數據采集模塊實現，并進行了LMS算法仿真，結果證明該方案是可行的。該模塊用于新式電力載波測量過程的高速數據采集，以實現采集過程中的電壓、電流、溫度等實時數據的高速傳輸，仿真驗證該模塊達到將采集波形快速收斂的效果。在該系統的設計中，采用模塊化設計可以方便的調整設計中的錯誤，并易于升級和更新。采用流水線的操作方式提高了自適應的收斂速度，較好的滿足實時性要求。在權值較多的時候，可以采用并行結構處理的方法滿足實時性要求，通過誤差系數調整單元實現不同的收斂步長，從而達到符合系統要求的收斂速度和精度。

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劉積鴻（1988－），大學本科，助理工程師，現供職于廣東省輸變電工程公司，主要研究方向：變電站建設、測控保護、智能電網。