FPGA在水轮机组效率测量仪中的应用研究
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摘要
智能仪器是含有微处理器的、具有一定智能性的测量仪器。近年来，得益于微电子技术的迅速发展，微处理器的功能不断增强。采用新型器件完善仪器的测量功能和提高仪器的测量精度是当前测量仪器研究发展的方向。
本文针对一种传统的测量水轮机组流量的方法—流速仪法存在的问题，采用FPGA芯片技术，使得电路结构的简化和测量的高精度成为可能。文中介绍了采用FPGA芯片进行系统设计的一般方法步骤和LONWORKS现场总线技术的相关内容；在此基础上，以水轮机组效率测量仪的设计为例，深入讨论了FPGA内部功能电路的实现；最后通过实际测量证实了该方法的正确性。
全文共分六章，前三章是本文的理论基础，主要包括水轮机组效率测量的原理、FPGA芯片的结构和开发流程以及LONWORKS现场总线技术等内容，第四、五章是本文的核心，详细论述了效率测量仪功能模块的实现，并就开发过程中遇到的一些问题进行了讨论；第六章为结论和展望，该章节总结了仪器设计值得借鉴的地方以及存在的不足，指出了下一步工作的重点。
本文对于利用FPGA芯片进行系统设计的研究人员具有一定的参考价值，也可以作为LONWORKS现场总线智能节点开发的参考资料。
Intelligent instrument is a measurement that has a microprocessor inner and behaves intelligently. Recently, owing to the development of microelectronic technology, microprocessor's power increases quickly. It has become current interest of measurement research to improve instrument's ability and precision by new devices.
Attribute to the limitation of conventional current-meter measurement, we introduce FPGA technology in the design of hydrogenerator efficiency measurement. The application of FPGA chip makes it possible to improve system's precision and simples the circuit architecture. First contents about LONWORKS field-bus technology and methods of system design using FPGA chips are referred in the paper. On the base, the implementation of circuits in the FPGA chip is shown about efficiency measure of hydrogenerator. At the end, the result of measure tests the success of application.
The paper is divided into six chapters. The forth three chapters are theoretical part including theory of hydrogenerator efficiency measurement, contents of LONWORKS field-bus , frame of the system and characteristic and developing procedure about selected FPGA chip. The fourth and the fifth chapters, mainly describe the hardware and software of hydrogenerator efficiency measurement, is the core of the paper. Some question worthy to pay attentin has been discussed deeply. In last chapter we draw conclusions for the system design and prospect next steps for the future.
The paper maybe value to those who ready to use FPGA chips in their designs or be reference for development of neuron node based on LONWORKS field-bus technology.
本文针对一种传统的测量水轮机组流量的方法—流速仪法存在的问题，采用FPGA芯片技术，使得电路结构的简化和测量的高精度成为可能。文中介绍了采用FPGA芯片进行系统设计的一般方法步骤和LONWORKS现场总线技术的相关内容；在此基础上，以水轮机组效率测量仪的设计为例，深入讨论了FPGA内部功能电路的实现；最后通过实际测量证实了该方法的正确性。
全文共分六章，前三章是本文的理论基础，主要包括水轮机组效率测量的原理、FPGA芯片的结构和开发流程以及LONWORKS现场总线技术等内容，第四、五章是本文的核心，详细论述了效率测量仪功能模块的实现，并就开发过程中遇到的一些问题进行了讨论；第六章为结论和展望，该章节总结了仪器设计值得借鉴的地方以及存在的不足，指出了下一步工作的重点。
本文对于利用FPGA芯片进行系统设计的研究人员具有一定的参考价值，也可以作为LONWORKS现场总线智能节点开发的参考资料。
Intelligent instrument is a measurement that has a microprocessor inner and behaves intelligently. Recently, owing to the development of microelectronic technology, microprocessor's power increases quickly. It has become current interest of measurement research to improve instrument's ability and precision by new devices.
Attribute to the limitation of conventional current-meter measurement, we introduce FPGA technology in the design of hydrogenerator efficiency measurement. The application of FPGA chip makes it possible to improve system's precision and simples the circuit architecture. First contents about LONWORKS field-bus technology and methods of system design using FPGA chips are referred in the paper. On the base, the implementation of circuits in the FPGA chip is shown about efficiency measure of hydrogenerator. At the end, the result of measure tests the success of application.
The paper is divided into six chapters. The forth three chapters are theoretical part including theory of hydrogenerator efficiency measurement, contents of LONWORKS field-bus , frame of the system and characteristic and developing procedure about selected FPGA chip. The fourth and the fifth chapters, mainly describe the hardware and software of hydrogenerator efficiency measurement, is the core of the paper. Some question worthy to pay attentin has been discussed deeply. In last chapter we draw conclusions for the system design and prospect next steps for the future.
The paper maybe value to those who ready to use FPGA chips in their designs or be reference for development of neuron node based on LONWORKS field-bus technology.
引文
[1] 赵新民，王祁．智能仪器设计基础．1999．7．第1版．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社．1．
[2] 李郁侠，袁小宁．单片微机在水轮机组流量效率监测中的应用．水力发电．1999．8：47～49．
[3] 邬承玉，王义林．水轮发电机组辅助设备与测试技术．1999．5．第1版．北京：中国水利水电出版社．236；250～255．
[4] 武汉水利电力学院，华中工学院．水力机组测试技术．1982．5．第1版．北京：电力工业出版社．75～76．
[5] 冯军．肖志怀．水电站辅助设备及自动化．2000．4．第1期．武汉水利电力大学出版社．129～130．
[6] 张恩博．丰满发电厂4号水轮机效率测试研究．东北电力技术．1999．11．11～12．
[7] 范华秀，刘金生．水电机组流量效率监测计量装置(一)．武汉水利电力大学学报．1994．4．208～214．
[8] 徐汉柯，范华秀等．水电机组流量效率监测计量装置(二)．武汉水利电力大学学报．1994．4．216～219．
[9] 杨育红．LON网络程序设计．2001．3．第1版．西安：西安电子科技大学出版社．前言；3～4
[10] 张前焜等．两种高密度可编程逻辑器件CPLD和FPGA的比较．1996．3．兵工自动化．67～69．
[11] 徐志军，徐光辉．CPLD／FPGA的开发与应用．2002．8．第1版．电子工业出版社．47～56．
[12] 宋万杰，罗丰．CPLD技术及应用．1999．9．第1版．西安电子科技大学出版社．1～2．
[13] 朱明程等．FPGA原理及应用设计．1994．5．第1版．电子工业出版社．4～6．
[14] 褚振勇，翁木云．FPGA设计及应用．2002．7．第1版．西安电子科技大学出版社．1～10；19～24：111～140．
[15] 金革．可编程逻辑阵列FPGA和EPLD．1996．4．第1版．中国科技大学出版社．15～16．
[16] John F．Wakerly．数字设计原理与实践．2003．8．第1版．机械工业出版社．184～206；505～516．
[17] ALTERA Corp．Cyclone FPGA Family Data Sheet，Volume 1．2003．6．
[18] 冯涛，王程．MAX+PLUS 2入门与提高．2002．10．第1版．人民邮电出版社．1～2；18～19；101～131；133～168：179～208．
[19] 西北工业大学．基于VHDL语言的电子自动化及其应用．2001．3．西北工业大学硕士论文．11～13．
[20] 王道宪．可编程逻辑器件应用与开发．2004．1．第1版．国防工业出版社．1～3；25～31．
[21] 刘宝琴等．ALTERA可编程逻辑器件及应用．1999．5．第1版．清华大学出版社．265～274．
[22] 卢毅，赖杰．VHDL与数字电路设计．2001．4第1版．科学出版社．8～9．
[23] 曾繁泰，陈美金．VHDL程序设计．2000．8第1版．清华大学出版社．5～6．
[24] 张凯，林伟．VHDL实例剖析．2004．1．第1版．国防工业出版社．7～12．
[25] 金西．VHDL与复杂数字系统设计．2003．3．第1版．西安电子科技大学出版社．8l～115．
[26] 电子科技大学．基于计算机PCI总线的雷达数据采集系统的研制．2001．5．电子科技大学硕士论文：28～29
[27] 张培仁，朱东杰，马云，史久根．自动控制技术和应用——监控网络设计．2001．9．第1版．合肥：中国科学技术大学出版社．
[28] 张常年，郭书军，左岐．计算机通信与工业控制．2002．1．第1版．北京：化学工业出版社．
[29] 王鑫鑫等．现场总线控制技术在电厂中的应用研究．电站系统工程．2001，17(4)．243～246．
[30] 王慧．计算机控制系统．2000．7．第1版．北京：化学工业出版社．
[31] 现场总线的类型．http://www.eastac.com/article/new-base2.htm．
[32] Fieldbus Foundation, FoundationTi Specification: FF-800, FF-801, FF-816, FF-821, FF-822, FF-880, FF-875, FF-940, 1996.
[33] 现场总线的类型．http://www.eastac.com/article/new～base3．htm．
[34] 现场总线的类型．http://www. eastac.com/article/new～basel. htm.
[35] 阳宪惠．现场总线技术及其应用．1999．6．第1版．北京：清华大学出版社．
[36] Echelon. Neuron Chip Data Book. February 1995.
[37] ECHELON Corp. NODE BUILDER User's Gu ide.1995. 10.
[38] ALTERA Corp. Cyclone Device Handbook, Volume 1. 2003. 4.
[39] ANALOG DEVICES Corp. Data sheet of AD1674 SPECIFICATIONS.
[40] 肖忠祥．数据采集原理．2001．2．第1版．西安：西北工业大学出版社．
[41] 凌志浩．从神经元芯片到控制网络．2002．2．第1版．北京：北京航空航天大学出版社．
[42] Echelon Corp, Neuron C Reference Guide. February 1995.
[43] 刘明业．数字系统自动设计．1996．3．第1版．高等教育出版社．28～34．
[44] Echelon Corp. Neuron C Programmer' s Guide. February 1995.
[45] ALTERA Corp. ByteBlasterMV Parallel Port Download Cable. 2002.7
[46] ALTERA Corp. Serial Configuration Devices (EPCSI&EPCS4).2003.3
[47] 徐建军．MCS-51系列单片机应用及接口技术．2003．6．第1版．人民邮电出版社．313～314．
[48] 季涛，李长明．LONWORKS现场总线技术及应用．潍坊学院学报．2000．2．(4)．80～82．
[49] MAXIM Corp. MAX1973/MAX1974 DATASHEET. 2002.7
[50] 刘鑫．LONWORKS现场总线网络产品的开发与应用．电子技术应用．1998，(10)．20～23．
[51] 徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计1995．11．第1版．北京航空航天大学出版社．167～171．
[2] 李郁侠，袁小宁．单片微机在水轮机组流量效率监测中的应用．水力发电．1999．8：47～49．
[3] 邬承玉，王义林．水轮发电机组辅助设备与测试技术．1999．5．第1版．北京：中国水利水电出版社．236；250～255．
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[26] 电子科技大学．基于计算机PCI总线的雷达数据采集系统的研制．2001．5．电子科技大学硕士论文：28～29
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[28] 张常年，郭书军，左岐．计算机通信与工业控制．2002．1．第1版．北京：化学工业出版社．
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[30] 王慧．计算机控制系统．2000．7．第1版．北京：化学工业出版社．
[31] 现场总线的类型．http://www.eastac.com/article/new-base2.htm．
[32] Fieldbus Foundation, FoundationTi Specification: FF-800, FF-801, FF-816, FF-821, FF-822, FF-880, FF-875, FF-940, 1996.
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[35] 阳宪惠．现场总线技术及其应用．1999．6．第1版．北京：清华大学出版社．
[36] Echelon. Neuron Chip Data Book. February 1995.
[37] ECHELON Corp. NODE BUILDER User's Gu ide.1995. 10.
[38] ALTERA Corp. Cyclone Device Handbook, Volume 1. 2003. 4.
[39] ANALOG DEVICES Corp. Data sheet of AD1674 SPECIFICATIONS.
[40] 肖忠祥．数据采集原理．2001．2．第1版．西安：西北工业大学出版社．
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[44] Echelon Corp. Neuron C Programmer' s Guide. February 1995.
[45] ALTERA Corp. ByteBlasterMV Parallel Port Download Cable. 2002.7
[46] ALTERA Corp. Serial Configuration Devices (EPCSI&EPCS4).2003.3
[47] 徐建军．MCS-51系列单片机应用及接口技术．2003．6．第1版．人民邮电出版社．313～314．
[48] 季涛，李长明．LONWORKS现场总线技术及应用．潍坊学院学报．2000．2．(4)．80～82．
[49] MAXIM Corp. MAX1973/MAX1974 DATASHEET. 2002.7
[50] 刘鑫．LONWORKS现场总线网络产品的开发与应用．电子技术应用．1998，(10)．20～23．
[51] 徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计1995．11．第1版．北京航空航天大学出版社．167～171．