基于NiosⅡ的電能質量監測系統設計

2.2 NiosⅡ軟核處理器

　　基于32位RISC嵌入式軟核NiosⅡ的SoPC，有著其他SoPC(如基于FPGA嵌入式IP硬核SoPC)不可比擬的優勢。采用NiosⅡ軟核處理器，用戶將不會局限于一般的處理器技術而是根據自己的標準裁剪和定制處理器，按照需要選擇合適的外設、存儲器和接口，輕松集成自己專有的功能，比如DSP、用戶邏輯等。這非常有利于設計高次諧波這種計算量大且控制邏輯復雜的系統。

　　為了滿足今后的性能要求，該電能質量監測系統應能隨時被改進升級。可以加入多個NiosⅡCPU、定制指令集、硬件加速器等，以達到更好的性能目標。還可以通過Avalon交換架構調整系統性能，該架構支持多種并行數據通道可實現大吞吐量的應用。

　　2.3 硬件系統平臺設計

　　圖4是整個系統的硬件結構框圖。系統組成主要包括：

　　(1)系統核心模塊采用STRATIX系列的EPlS25型的FPGA，它包含：10個DSP模塊、25 660個邏輯單元、48個嵌入式乘法器、RAM總量高達1 922 576 b，6個數字鎖相環、可用的I/O口最多達到702個。它是一款采用高性能結構體系的PLD器件，結合了強大內核性能，大存儲器，DSP功能，高速I/O和模塊化設計。其內嵌的DSP模塊，提供了高于DSP處理器的數據處理能力，可以完成較為耗費資源的乘法器單元。這些資源對一個電能質量監測系統來說是已經綽綽有余。

　　(2)NiosⅡ軟核處理器是整個系統模塊的CPU，它的具體特性已在前面詳細敘述。NiosⅡ軟核處理器除了要協調控制各個硬件設備外，電能參數相關數據的軟件算法也要在此執行。

　　(3)Avalon交換式總線由SoPC Buiider自動生成，它是一種用于系統CPU和外設之間的內聯總線。傳統的總線結構缺點是每次只能有一個主機能接入總線，導致帶寬瓶頸。而在Avalon總線結構里，總線主機不搶占總線本身。Avalon交換結構可實現數據在外設與性能最佳數據通道之間的無縫傳輸，并且它同樣支持用戶設計的片外處理器和外設。

　　(4)諧波分析模塊采用內嵌的DSP對采集過來的16位數字信號進行處理，輸入電能計量指標參數的處理算法程序，將結果暫存在片內存儲器，最后NiosⅡ軟核控制單元通過RS 232或.RS 485串口完成數據的傳輸和人機對話。諧波是一個周期性的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。進行諧波變換的方法很多，本文采用的是FFT，完成電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因子和穩態諧波分量等檢測。

　　以上是本文提出的一個基于NiosⅡ的基本電能質量監測系統的硬件平臺。根據不同要求，還可以采取往系統核心模塊里添加DMA、自定義模塊等措施，從而形成功能更加完善的電能質量監測系統。

　　3 電能質量檢測系統軟件設計

　　3.1 SoPC Builder設計

　　對應系統的硬件平臺結構，添加NiosⅡProcessor，選擇其為快速型，以確保系統的速度性能。再添加SPI，PIO，Character LCD，FLASH Memory，Avalon Tristate Bridge，SDRAM Controller，On chip Memory，DSP，timer這些模塊。設置好模塊的各項參數后，點擊System控件里的兩個選項為各模塊主動分配地址和中斷。然后在NiosⅡMore“CPU”Setting里選Reset Address為FLASH，選Exception AddFess為SDR-AM。最后點擊Generate生成對應的ptf文件。這樣系統的SoPC Bui[der設計基本完成。

　　3.2 NiosⅡIDE設計

　　進入NiosⅡIDE后新建一個應用工程，選擇ptf文件和Black Project，這樣一個基于已有SoPC的空白應用工程建立完畢。然后在System Library里進行必要工程設置。接著將電能參數算法的C程序填入工程里，再進行軟件的編譯調試等。調試完畢后，一并將所有程序與可執行文件全下載到FPGA上。至此，一個基于NiosⅡ的電能質量監測SoPC設計完成。