基于FPGA芯片实现水轮机组转速测量系统的设计

随着工业生产与科学技术的发展，大型水轮机组的自动化水平也在不断提高。而这些设备一旦发生故障，将会给人们的生活和生命财产造成极大的威胁。因此，对其运行状态进行监测，及时发现故障征兆具有重要意义。现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ，Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ ）的出现是超大规模集成电路和计算机辅助设计技术发展的结果。它具有集成度高、多功能、低功耗、开发周期短等特点，而且可以很方便地对设计进行在线修改，因此获得了广大用户的青睐，应用范围也越来越广。本文首先介绍了ＡＬＴＥＲＡ公司推出的低价位、高性能ＣＹＣＬＯＮＥ系列ＦＰＧＡ器件ＥＰ１Ｃ６Ｑ的特点和内部结构，然后结合在水轮机组状态监测开发系统中遇到的实际问题，给出了相应的解决方案，最后就开发过程中遇到的一些实际问题，提出了自己的看法。

１、ＥＰ１Ｃ６Ｑ的结构特点

ＥＰ１Ｃ６Ｑ是ＡＬＴＥＲＡ公司低价位ＣＹＣＬＯＮＥ系列ＦＰＧＡ的一种。它采用１．５Ｖ内核电压，内嵌９２１０６位存储区间，可提供两个锁相环和双倍数据传输速率（ＤＤＲ）的接口电路。其具体特点如下：

●采用２４０个引脚的ＦＰＱＦ封装形式，能提供１８５个ＩＯ用户引脚和５９８０个逻辑单元。

●具有２０个４６０８位的ＲＡＭ存储区，最高可支持２００ＭＨｚ的数据传输。每个存储区均包括单口或双口ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＦＩＦＯ等各类存储器件，并支持８位、１６位、３２位、３６位等数据存储类型。

●片上的锁相环电路可以提供输入时钟的１～３２分频或倍频、１５６～４１７ｐｓ移相或可变占空比的时钟输出，输出时钟信号的特性可直接在开发软件ＱＵＡＲＴＵＳ２里设定。经过锁相环输出的时钟信号既可以作为内部的全局时钟，也可以输出到片外供其它电路使用。

●多功能的ＩＯ结构支持差分和单端输入，并与３．３Ｖ、３２位、６６ＭＨｚ的ＰＣＩ局部总线兼容；ＩＯ输出可以根据需要调整驱动能力，并具有压摆率控制、三态缓冲、总线状态保持等功能；整个器件的ＩＯ引脚分为四个区，每一个区可以独立采用不同的输入电压，并可提供不同电压等级的ＩＯ输出。

２、在水轮机组转速测量中的应用

水轮机组的工作效率是系统状态监测中的一项重要指标，而机组的工作效率与当前时刻的转速密切相关。转速测量的关键是对六十五路脉冲信号周期的测量。采用了ＥＰ１Ｃ６Ｑ器件内部的６５个计数器同时工作的测量方法。

２．１ 水轮机组转速测量原理

该水轮机组转速测量装置如图１所示，它由六十五个微型机械传感器组成，其中六十四个传感器分布在对称的四个转轴上，第六十五个传感器在轴的中心交点。流经管道的水流将带动传感器的旋转。当传感器旋转一周后，触发电子线路产生一个脉冲信号。管道中水流的速度越快，脉冲信号的间隔越短；管道中水流的速度越慢，脉冲信号的间隔越长。这样？就可以根据脉冲信号的间隔或者说两个信号上升沿的时间长短来计算流速的大小，从而依据相应的公式计算水轮机组转速的大小。

２．２ 整体设计方案及工作原理

该水轮机组系统设计方案的整体框图如图２所示。水轮机组状态监测系统采用ＬｏｎＷｏｒｋｓ现场总线技术，神经元芯片是构成系统采集节点的核心，它内部包括三个微处理器，即ＭＡＣ处理器、网络处理器、应用处理器，而１１个输入／输出引脚则可根据不同的外部设备来灵活配置。收发器是节点之间通信的桥梁。

由于水轮机组转速比较慢，传感器发出的脉冲信号的时间间隔较长？因此？对缓变信号周期的测量应采用测周的办法。首先是将输入的脉冲信号经去抖、限幅后变成符合ＥＰ１Ｃ６Ｑ输入信号特性要求的信号，然后当ＥＰ１Ｃ６Ｑ接到神经元信号的测量命令后，再捕捉输入信号的上升沿。为了保证所有的通道在神经元芯片读取数据之前已经锁存，读取数据的时间间隔应保证不小于两个信号周期。神经元芯片将每个通道的计数值存储到片内ＲＡＭ区，并将计算得到的转速值送到信号处理模块，以计算水轮机组的工作效率。由于流速测量传感器的分布特点是边缘传感器的信号周期比内部传感器的信号周期长，因此，笔者选择一个最靠边的传感器作为标志传感器，并由标志传感器产生读取数据的标志位信号。

２．３ 硬件实现

（１） 信号调理电路

由于ＥＰ１Ｃ６Ｑ输入／输出逻辑高电平仅能支持４．１Ｖ，而不能直接与标准的ＴＴＬ电平信号相连，因此，神经元芯片和ＥＰ１Ｃ６Ｑ之间的连接以及脉冲输入电路都必须加限幅电路。芯片的设计已经考虑到与５Ｖ设备的连接问题，其解决方法是在连接线路中串接一个１６２Ω电阻。

（２） ＥＰ１Ｃ６Ｑ和神经元间的物理连接

在转速测量模块中，ＥＰ１Ｃ６Ｑ主要起信号边沿检测、脉宽测量以及实现神经元芯片外围逻辑电路的作用。由于许多功能是在ＥＰ１Ｃ６Ｑ内部利用软件实现的，所以二者之间的连接很简单。控制信息的传递主要有两个途径：一是通过神经元芯片的Ｉ／Ｏ引脚，由于Ｉ／Ｏ引脚较长的建立时间会影响系统的实时性，因此，设计电路仅使用ＩＯ０、ＩＯ１两个通道来作为整个系统的异步清零（ｃｌｒ）和读取数据标志（ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ）；另外一个途径是通过神经元芯片的数据总线（Ｄ０～Ｄ７）和地址总线？Ａ０～Ａ１５？，即在ＥＰ１Ｃ６Ｑ的内部设立状态寄存器，并由神经元芯片向寄存器中写入不同的数据，然后由寄存器根据写入的数据来使相应的控制信号有效。

２．４ 软件设计

ａ．ＥＰ１Ｃ６Ｑ内部程序

ＥＰ１Ｃ６Ｑ的内部程序是在ＱＵＡＲＴＵＳ２开发软件中实现的。ＱＵＡＲＴＵＳ２能够支持原理图输入和硬件描述语言两种编程方式。整个程序包括译码电路、分频电路、计数控制电路、计数器模块和数据的锁存和读取等五个部分。具体如下：

（１）计数控制电路

ＥＰ１Ｃ６Ｑ内部的程序是在神经元芯片的控制下运行的。其控制部分电路如图３所示。信号ｆｉｎ代表六十五路脉冲输入信号的一路，ｃｌｋ０代表标准的计数时钟。在ｃｌｒ信号由低电平变为高电平、且ｓｔａｒｔ置为高电平后，脉冲信号ｆｉｎ输入有效。当第一个上升沿到来后，计数器的ＰＵＬ引脚变为高电平，此时，计数器开始计数；当第二个上升沿到来后，ＰＵＬ变为低电平，计数器停止计数；而当第三个上升沿到来后，ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ信号变高电平，数据锁存。

（２）计数器的设计

由于水轮机组的转速比较慢，产生的脉冲信号频率一般在０．０１Ｈｚ～１０Ｈｚ之间，因此，转速快和转速慢时的信号周期差别比较大。为满足±１／１００００个计数时钟的精度要求，计数器的计数位数应设计为２０位。计数器的最大设定值为１００００００，这样，当脉冲信号周期在１０Ｈｚ～０．１Ｈｚ之间时，计数时钟为１００ｋＨｚ；而当脉冲信号的周期在０．１Ｈｚ～０．０１Ｈｚ之间时，计数时钟自动转换为１０ｋＨｚ。计数时钟的自动切换是由计数器的溢出标志控制的，当计数器的计数值超出设定的最大值（１００００００）后，溢出标志由低电平变为高电平，这样，经过全局时钟分频计数的时钟分频次数也会相应地扩大１０倍，从而保证了计数器不会再次溢出。

（３）状态寄存器设计

为了减小神经元芯片控制功能对ＩＯ引脚的依赖，ＥＰ１Ｃ６Ｑ在其内部设立了两个状态寄存器。这两个状态寄存器可根据神经元芯片写入的控制字来使相应的控制信号有效。使用的控制信号如下：

ｓｔａｒｔ：通过神经元芯片要求ＥＰ１Ｃ６Ｑ进入信号采集状态控制，高电平有效。

ｌｃｋ：数据锁存信号，低电平有效。当ＥＰ１Ｃ６Ｑ的输出信号ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ有效后，神经元芯片向状态寄存器写入命令字以使ｌｃｋ信号有效。为了保证所有通道的计数器已经停止工作，神经元芯片接收到ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ后将延迟ΔＴ时间后再锁存计数器的数据。

ｈ１？ｈ２：计数值高八位、中八位、低八位的选择控制。为了满足系统要求的测量精度， ＥＰ１Ｃ６Ｑ内部采用二十位计数器对每一路信号进行计数，而神经元芯片的数据总线是八位，因此需要分三次读出。

（４）译码电路设计

神经元芯片一般采用内存映象法进行数据的传递。所谓内存映象法，是指给芯片外部的寄存器、存储器或ＩＯ单元分配一个物理地址，以便于对外设操作，这相当于对该物理地址的操作。译码电路主要提供ＦＬＡＳＨ、状态寄存器和六十五个计数器的片选信号。系统的地址分配如下：

Ｅ８００～ＥＦＦＦ？数据存储区，用于保存各个通道的计数值。

００００～７ＦＦＦ？外围ＦＬＡＳＨ区。

８０００～８０４０？六十五个计数器的内存地址。

８０４１～８０４２？状态寄存器的内存地址。

８０４２～Ｅ７ＦＦ？用户备用空间。

（５）分频电路

计数器单元的计数时钟是把输入的全局时钟分频得到的。１２ＭＨｚ的有源晶振输出通常可作为全局时钟，分频电路采用ＶＨＤＬ语言设计，分频次数设定值的变换由计数器的溢出标志控制。

ｂ．神经元芯片的内部编程

本编程设计主要用于完成与系统的同步和控制ＥＰ１Ｃ６Ｑ程序的运转。当接到信号处理模块发来的数据请求信号后，该程序将启动ＥＰ１Ｃ６Ｑ内部程序并开始计数，以将最终的计数值读到内部ＲＡＭ区。

３、注意事项

在整个设计方案的实现过程中，应仔细考虑以下两点：

第一是芯片的选择。与普通电路开发不同的是，本设计方案的前期编译和仿真验证不需要拘泥于某一具体型号的芯片，只要满足方案所需的逻辑单元的数量、控制时序的精度和存储区间的大小等要求，就可以在软件开发工具中编译仿真。可到方案成熟后，再考虑一些细节问题，如芯片以及所需电源和配置芯片是否容易买到，提供的ＩＯ接口类型是否满足需要，芯片的封装形式是否会影响到ＰＣＢ板的制作等问题。

第二是时序电路和组合电路的转化。在一个系统中，时序电路和组合逻辑电路一般同时存在。两种类型的电路都作为输入时，为避免毛刺现象，可以在组合逻辑的输入之前加Ｄ触发器，以将组合逻辑电路转化为时序电路。在多级时钟系统中，为了满足建立和保持时间的要求，往往需要在低频时钟信号驱动的逻辑电路的输出端加一级高频时钟信号驱动的Ｄ触发器，以实现时钟之间的同步。但这样做会增加输入和输出之间的时间延迟，严重时可能通不过编译软件的时序验证。因此，可以将其转化为简单的组合逻辑电路，以使其比较容易实现。

４、结束语

该方案已经通过了实验验证，测量结果能够满足设计要求。考虑到成本问题，选择的芯片不能与５Ｖ系统直接相连，这使得多路输入信号给整个电路的设计带来了一定的困难。如果排除这些因素，该方案还可以得到进一步的改善。

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