基于FPGA的高精度變送器在豐滿電廠的應用

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. 中國電器科學研究院有限公司，廣東 廣州 510860）

0 引言

變送器是工業過程重要的基礎自動化設備之一。主要完成物理信號的測量和變換處理。直流變送器是一種能將被測直流信號轉換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流信號的裝置，廣泛應用于電力、遠程監控、儀器儀表、醫療設備、工業自控等需要隔離測控的行業。

隨著高參數、大容量設備的增加和過程工藝的復雜化，對自動化的依賴性越來越大，變送器用量不斷增多，要求也不斷提高。針對傳統模擬式變送器存在精確度不夠高、響應速度慢、漂移過大、量程有限、維護和維修費用大等一系列問題，本文設計了一種基于FPGA的高精度直流變送器。該變送器有5個輸入量程可供選擇，可根據被測信號的測量范圍選擇相應的量程。外部輸入信號調制后，經線性光電隔離芯片實現強弱電間的線性隔離，FPGA通過高速A/D轉換芯片對線性光電隔離后的模擬量信號進行高速同步數據采集運算，并把運算結果通過D/A轉換芯片轉換為0～5 V的電壓信號和4～20 mA的電流信號快速輸出。響應時間可達20 ms，遠低于常規直流變送器。

1 變送器的主要特點及系統組成

本文所設計的基于FPGA的高精度變送器符合GB/T13850-1998、IEC-688標準。

1.1 主要特點

（1）響應速度快

傳統模擬式變送器的響應時間一般為300 ms左右，本文所設計的變送器，響應速度可達20 ms，便于上位機對模擬量進行實時測量和監控。

（2）測量范圍廣

本文所設計的變送器有5個量程可供選擇，分別為0～75 mV、0～200 V、0～350 V、0～600 V、0～1 000 V。針對不同的輸入電壓范圍，可選擇相應量程。

（3）測量精度高

本文所設計的直流變送器對線性隔離轉換后的模擬量采用16位A/D轉換芯片進行數據采集，每個采樣周期采樣512個點。

1.2 系統組成

本文所設計的直流變送器板系統框圖如圖1如示。

圖1 系統框圖

外部輸入的0～75 mV弱電信號或者強電信號通過光電隔離環節實現信號隔離，把外部易受干擾的模擬量信號轉換為可被測量的信號量。外部輸入和模擬量同頻或整數倍頻的同步信號，經調制后輸出至FPGA，FPGA通過控制A/D轉換芯片，實現對光電隔離后的外部模擬量信號進行同步采樣，FPGA對采集到的數據進行移窗算法求平均值后通過D/A轉換輸出，本設計可輸出0～5 V的電壓信號和4～20 mA的電流信號。

2 變送器的硬件設計

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

2.1 光電隔離模塊

在工業測量和控制系統中，為避免內外部電路因接地點不同帶來誤差，同時為了保護內部電路免受外部電路的影響，防止外界的各種干擾，必須將測量系統和計算機系統進行電氣隔離[1]。對于數字信號的隔離，使用一般的光耦器件隔離就能達到很好的效果。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，對于模擬信號的傳輸其精度和線性度難以滿足系統要求。為了能更精確地傳送模擬信號，用線性光耦隔離是最好的選擇。線性光耦輸出信號隨輸入信號變化而成比例變化，它為模擬信號傳輸帶來了方便。

光電隔離模塊實現外部輸入模擬量和內部測量信號之間的電氣隔離轉換功能。在勵磁系統中，勵磁電壓和勵磁電流信號直接從發電機的轉子取樣，容易受到強電磁干擾和尖峰電壓的影響，經光電隔離模塊轉換后轉換為可被數據處理單元接受的弱電信號。本文設計的變送器采用HCRN201[2]高線性度光電耦合器實現模擬信號的隔離變換。此線性光耦體積小，價格便宜，隔離電路簡單且可以完全消除前后級的相互干擾，具有較強的抗干擾能力。

2.2 同步調制模塊

處理單元FPGA通過對同步信號的測量實現對外部輸入信號的同步采樣。要實現同步采樣，需要外部輸入信號的頻率是同步信號頻率的整數倍。同步調制回路如圖2所示。在勵磁系統中，Utb為外部輸入的交流電壓信號，可取自同步變壓器的副邊，經RC回路濾波和放大比較，生成方波同步信號syn接入FPGA。由于勵磁系統一般采用三相全控橋整流電路[3,4]作為功率單元，在工頻下勵磁電壓在一個周波內有6個脈動的波形，此時勵磁電壓的頻率為同步頻率的6倍。

2.3 A/D轉換模塊

核心處理單元FPGA通過A/D轉換模塊對光電隔離轉換后的模擬量進行采樣，AD芯片與FPGA采用SPI接口。本設計采用6位4通道AD轉換芯片AD7682對模擬量進行數據采集。輸入電壓范圍0～5 V，具有采樣精度高、吞吐速率大的特點。在本設計中，采樣速率可達51.2千次/s。

圖2 同步測量回路

2.4 核心處理單元

本文采用FPGA作為控制器的運算、邏輯處理單元，其性能優劣直接關系到變送器的性能。與其他FPGA不同，Microsemi公司的smartfusion2[5]系列采用Flash技術，在單一芯片上集成了FPGA、一個ARM Cortex-M3處理器、先進的安全處理加速器、DSP模塊、SRAM、eNVM和業界所需的高性能通信接口，簡化了硬件電路的設計。核心處理單元主要實現A/D快速采樣、軟件濾波算法實現及D/A轉換輸出等功能。

2.5 D/A轉換及電流變送模塊

經核心處理單元FPGA處理后的數據通過D/A轉換模塊輸出0～5 V的電壓信號，轉換速度達100 k點/s。同時經D/A轉換輸出的電壓信號還可以通過電流變送模塊轉換為4～20 mA的標準信號輸出，供DCS采樣使用。

3 變送器軟件設計

本文采用Microsemi公司的Libero SoC v11.8軟件，利用Verilog HDL語言實現同步測量、A/D同步采樣、軟件濾波算法、D/A轉換輸出等功能。系統軟件結構圖如圖3所示。

圖3 系統軟件結構圖

外部輸入時鐘信號經鎖相環輸出后為各測量及運算環節提供時鐘源，同步采樣為后續濾波環節提供基礎數據。同步采樣得到的數據經軟件濾波后，通過D/A轉換后輸出。

傳統上一般采用RC電路對模擬信號進行濾波，當RC參數設置過小時紋波不能有效消除，RC參數過大時響應時間太長，不能實時反映輸入信號的變化。針對這一現象，本文采用軟件濾波的方法對同步采樣到的數據進行數據優化處理，即采用單一周期內數據求平均值的方法對輸入信號進行濾波，取得了很好的效果。

4 功能測試

4.1 靜態測試

基于FPGA的直流變送器通過同步采樣實現更快的響應速度和更寬的測量范圍。當在A/D的輸入端輸入方波信號時，經A/D轉換芯片的高速采樣、軟件濾波、D/A輸出及電流變送環節，輸出波形與輸入方波的對應關系如圖4所示。其中方波信號幅值為4 V，頻率為50 Hz，占空比50%，輸出的電流回路并聯100 Ω1/4 W的電阻，測得的電壓值為1.062 8 V，和理論計算值相符。

圖4 A/D輸入為方波時的變送器輸出波形

當設定外部模擬量輸入量程為0～200 V，用繼電保護測試儀加入0～200 V的直流電壓信號時測得輸入電壓與輸出電流的線性關系如圖5所示，輸入電壓與輸出電流具有較好的線性關系。

4.2 動態測試

豐滿電廠位于吉林省吉林市，總裝機容量為100.25萬kW，勵磁系統采用中國電器科學研究院/廣州擎天實業有限公司的EXC9200勵磁系統，本文所設計的變送器應用于豐滿電廠，取得了很好的控制效果。由于勵磁系統采用三相橋式全控整流電路，所以勵磁電壓的波形在一個周波內有6個連續的脈動波形，如圖6所示。其中整流橋陽極電壓為44.3 V，直流側整流輸出電壓為54.4 V，可控硅的觸發角為10°，直流電流變送輸出側并聯330 Ω電阻。從圖中可以看出，輸出電流波形沒有脈動，對輸入的勵磁電壓波形進行了有效的濾波。

圖5 變送器輸入電壓與輸出電流關系

圖6 變送器輸入/輸出波形

當可控硅的觸發角從10°突變為30°時，通過示波器測得的波形如圖7所示。

圖7 輸入突變時變送器輸出波形

當可控硅的觸發角度發生突變時，勵磁電壓的波形發生突變，勵磁電壓的大小也發生突變，此時勵磁電壓經過變送器輸出后也會發生相應的變化，從圖7中可以看出，經變送器變送后的信號的響應時間約為20 ms。優于傳統模擬式變送器。

5 結語

針對常規直流變送器響應時間長，測量范圍窄等現象，本文設計了一種基于FPGA的高精度快速變送器，該變送器通過對模擬量進行高速高精度采樣，采用軟件濾波的方式對采集到的數據進行處理，解決了傳統直流變送器響應時間過長的問題。把該變送器用于豐滿電廠勵磁系統中，運行穩定，取得了較好的效果。