基于Xilinx FPGA平台多种能源监控系统的设计

引言

传统的基于嵌入式平台的电能监控系统往往具有监控的对象也过于单一、制作成本高，应用范围窄，实用性能差等缺点，本文针对以上问题进行了详细分析，研究并设计制作出了基于Xilinx FPGA嵌入式平台的新型电能监控系统，利用高精度交流电能计量芯片ADE7758及直流AD串行采样芯片ADS1110进行交直流电能的监测，与此同时，基于XC3S700A(Spartan-3)FPGA，搭建Microblaze软核处理器，添加必要的外设后，嵌入μC/OS-Ⅱ实时操作系统，实现基于嵌入式平台的新型电能监控系统，采用μC/OS-II+Microblaze的应用平台对与本中小嵌入式系统应用来说是十分适合的。

系统分析

能源监测系统分析

图1中，EMS既是设计的主体部分。能源的分配要求为：多路、多种清洁能源(风电、光电)必须先合并为一路再输出，同时要实现能够随时接入原有供电系统且被优先使用，无论此时市电或油电是否工作，市电和柴油发电的切换必须可以很方便地操作。

嵌入式能源监测系统构建

跟据实际电能监控需求，电能监控终端系统框图如上图2。基于Spartan-3内核的嵌入式处理器XC3S700A，由Microblaze软核为处理器核心，添加URAT、IIC、SPI等总线接口，使得核心系统功能完善。处理器周围包含有不同的硬件功能模块，如负责信息上报的通讯模块、负责友好人机界面的用户UI模块、用户操作平台按键控制模块、以及能源测量的接入模块等，其中能源监控系统需要完成多种能源的监控，包含了传统能源：市电和油电(属于交流电，并包含三相电)，以及绿色能源：风电和光电(属于直流电，电压范围为48V～58V)。为了保障能源数据监控的准确性，传统能源采集模块采用的是专用3相电能计量芯片ADE7758，电能计量精度优于3%，绿色能源采集模块采用的是16位串行模/数(A/D)转换器芯片ADS1110。这两种芯片分别采用SPI和IIC总线结构，这在XC3S700A上易于实现。测量的数据经过处理器片内运算，经系统进一步处理，完成电能监控。