电除尘器高频电源采集系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

电除尘器高频电源采集系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

稳定的输出。 但是，由于开关稳压电源的功率开关处于开关状态，使其存在的输出波纹电压较高、瞬变响应较差，对电网和外部电子设备有电磁干扰等缺点。 电除尘器高频电源是电除尘器电源发展的趋势，正如上世纪八十和九十年代的电子计算机、通信和电力操作等领域开关电源取代了可控硅相控电源那样，二十一世纪其他工业领域特别是环保领域开关电源将逐步取代可控硅相控电源。 作为 电除尘器高频电源的重要核心组成部分之一的采集系统，更是直接关系到高频电源性能的好坏，是保证电除尘器高频电源的正常运行的关键之一。 相关技术国内外发展现状 电除尘器高频电源的发展则要追溯到 20 世纪 90 年代初，由美国学者 Liberati Gug lielmo 在 1993 年开发出高频开关保护电源，使之适用于电除尘器，并对故障跟踪的保护设计做了初步的设想。 20 世纪 90 年代末 ， 美国的 NWL 公司 、 丹麦 SMIDTH 公司和瑞典的 ALSTOM 公司等的高频开关电源进入市场并应用于电力、化工等行业。 其中，瑞典的 ALSTOM 公司的 SIR 系列高频开关电源最具有代表性，其最大规格已达到 120KV/[5]。 而电除尘器高频电源采集系统的发展史则直接与 DSP 的发展相紧密联系，从第一代的电除尘器高频电源的生产开始，其控制系统一直由 DSP为主导，而随着 DSP 的发展，其控制、采集系统也不断的处于更新状态。 相比较与国外的早起点、快速发展，国内高频直流高压开关电源研究起步较晚。 虽然 我国的开关电源技术的发展基本上可源于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初 ， 当时引进的开关电源技术在高等院校和一些科研所停留在试验开发和教学阶段 ，但是直到 21 世纪初，高频电源在我国引进， 而且其 高昂的价格，使其推广使用变得尤为艰难。 20xx 年以后，国内的一些研究机构和企业 才 先后开始了高频、高压开关电源的研究，以此来实现高频电源的国有化。 其中国电环境保护研究院（南京国电环保科技有限公司）、福建龙净环保公司是电除尘器高频电源的先驱者。 经过几年的努力，各自取得了重大的突破，并研发出拥有各自知识产权的电除尘器高频电源。 其中国电环保研究院研制的高频电源体积小、重量轻，其输出功率更是达到 115KW，达到了国际水准 [6][7]。 与此同时，国内的采集系统也全部沿袭了国外的采集技 术，采用以 DSP 为主导第一章 绪论 3 的采集系统。 但是由于国内的电子技术相比于国外较为落后，在系统硬件电路采集、调理等方面的成熟度更是处于弱势，因此在电除尘器高频电源主电路趋于稳定的条件下， 国内高频电源的故障率一直处于居高不下的状态， 一个非常重要的方面就 是国内高频电源的控制系统或采集系统采用的技术更新速度慢， 且 其采集系统已成固化状态，方式单一，其对硬件的依赖性很大。 这样在环境恶劣的情况下，就会使采集系统的工作不稳定，直接导致了整个设备的工作不稳定。 本文的研究内容 基于目前国内现有的基于传统采集方式的电除尘器高频电源 ，本文将现已发展成熟的 FPGA 技术 运用到高频电源上 提高设备采集系统的性能。 本文 主要完成的工作包括采集数据分析 、 硬件 电路 设计 、 软件采集 模块编程和数字滤波器四 个部分。 （ 1）采集数据分析是对整个高频电源监控数据的研究，在设计之初对其做详细的分析与研究，包括采集信号的种类、波形、幅值、频率等，并对数据采集的方法做了详细的解释说明。 （ 2） 硬件 调理 部分包括硬件电路设计和实验结果分析。 针对采集信号的特殊性，有针对性的设计调理采集电路，并在最后给出硬件电路设计的仿真波形与实际实验波形的对比说明，验证硬件电路设计的正确性。 （ 3） 软件 采集 部分包括程序设计和仿真结果。 本文对硬件模数转换器、移位寄存器等采集芯片设计出完整的接口程序，完成信号的最终数字量转换，并给出时序仿真图。 （ 4）数字滤波部分是对在 FPGA 内部实现 FIR 滤波器的研究。 本文详细分析了 DA算法的原理，并根据原理在 FPGA 中实现了 FIR 滤波器。 具体各章节大致内容如下所述： 第一章是对本课题研究的背景和研究意义做出简单介绍，并给出目前国内外 电除尘器 高频电源 技术 的发展历史和现状。 第二章是对本文设计的总体概述， 根据工业设计要求，给出本设计的设计原则。 同时，对传统的 数据采集方式和基于 FPGA 的采集方式作出详细的比较说明， 并确定了 本设计中采用的数据 采集方式 —— 基于 FPGA 的并行采集模式。 第三章是本文设计的基础。 首先对高频电源做了简单 的 介绍后，着重对电除尘器高频电源的工作原理做了细致的分析，并确定电除尘器高频电源采集的数据参数。 电除尘器高频电源是一种自主进行故障判断的设备。 而其自主判断的前提就必须对南京信息工程大学硕士学位论文 4 其运行过程中的各种技术参数进行实时监控，因此一套可靠、安全的采集系统是保证电除尘器高频电源正常运行的重要前提。 第四章是电除尘器高频电源的采集系统的硬件设计。 在进行硬件设计前 ，必须考虑到设计对象的工作环境。 因为电除尘器高频电源是安装在室外，而且在全国各地都有应用。 所以设计前，对其工作的环境需进行最大限度的设定，因为硬件的设计的成功与否与各种器件的选型有直接的关系。 因此 ，需对硬件选型十分慎重。 另外，由于开关电源自身有一个很大的缺点就是开关高频噪声较为严重，因此在电路设计中 适时的增加 滤波电路和隔离的应用。 为验证硬件电路设计的正确性，最后给出各电路在不同调理部分的波形，并与输入波形做对比。 第五章主要是 FPGA 的模块化程序设计。 在 本章 中，针对 硬件电路中采集信号采集 模数转换 芯片 ，各自独 立设计一系列的采集程序，并着重对数据缓存技术做了深入的分析。 最后 给出 软件仿真波形，以验证程序模块设计的正确性。 第六章是基于分布式算法的 FIR 滤波器在 FPGA 中的研究和应用。 数字滤波等信号处理一般都由 DSP 处理来完成。 而随着 FPGA 技术的不断发展，基于 FPGA 的数字处理算法也不断的产生。 本章就对应用 DA算法在 FPGA 中实现复杂的数字滤波功能的技术做了分析探讨，此方式不仅提高处理速度，同时对 DSP 的效率的提高也有一定的帮助。 第 七 章是本文的总结和展望。 第二章 系统设计结构 5 第二章 系统设计结构 上一章在介绍高频电源的相关 国内外情况后，在本章将对高频电源数据采集系统做出总体设计，并对采集系统的核心 —— 采集方式做出选择。 系统设计原则 根据高频电源的使用情况与基本的设计原则在具体实际中的考虑，本文按照以下原则进行总体设计： （ 1） 可靠性。 就工程设备而言，其最重要的因素是设备能够可靠、稳定地运行。 电除尘器高频电源 的 工作环境的劣，经常是处于高温 或 低温、高湿度和干扰严重的环境中，因此保证其可靠地运行更为重要。 因此，采集系统必须尽可能实现可靠、稳定的采集 与 传输。 （ 2） 可扩展性。 由于我国高频电源技术的落后和现今技术的迅速发展，因 此在设计系统时很重要的一点就是考虑到以后的更新换代问题。 更新换代并不是另起炉灶，而是在现 有 的基础上的进一步发展 与改进。 因此为减少不必要的成本，在当时的设计中留有一定的余地进行扩展也是一项重要措施。 （ 3） 硬件成本。 商业成本也是制约先进技术广泛应用的一个非常因素，其对硬件技术更为重要。 电除尘器高频电源是一个商品，因此其利润才是最为重要的关键。 因此在进行硬件设计时，器件选型是一项重要的工作。 在满足需求的基础上，尽量选用应用广泛的器件。 （ 4） 易维护性。 在工作环境和硬件使用寿命的制约下，设备出现故障 是 无可避免的问 题。 但由于高频电源的全国分布和技术人员数量的限制，因此，设备的 易 维护性问题必然也是系统设计考虑的一个不可或缺的因素。 系统中硬件结构尽可能的采用模块化设计，各部分彼此不受影响，这样在使用中对故障的排查也起到一定的简易作用，方便系统的后期维护和升级 [8]。 系统采集方式的研究 目前，作为世界通用的三大主流控制器 —— ARM、 DSP 和 FPGA 在不同领域、不同应用场合都发挥重要的作用。 这三种微控制器都可以用来做数据采集，下面就三者的主要优势做简要分析：（ 1） ARM 的最大特点是其强大的的事务管理功能，主要用来做应 用界面设计以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面；（ 2） DSP，南京信息工程大学硕士学位论文 6 即数字信号处。 顾名思义，其最大的优势 就是 强大的数字处理能力和较高的运行速度，所以经常用来计算，比如进行加密解密、调制解调等 ； （ 3） FPGA，可编程门阵列，其编程语言也不同于 ARM 和 DSP，有两种可用 VHDL 和 Verilog HDL—— 本设计采用 Verilog HDL 语言 ，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。 当电路有少量改动时，更能显示出 FPGA的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命， 而这种能力可以用来进行系统升级或除错。 传统 数据 的采集方式是通过 DSP 或单片机实现，模拟信号数据采集是在模拟信号调理完成以后，直接输入到 DSP 或单片机的 AD 引脚，通过软件配置来采集。 而由于 FPGA 在最近十几年的强势崛起，其灵活的可配置性和并行的工作模式，使其短时间内在数据采集 方向 的应用得到迅速发展。 下面对传统的数据采集方式和基于 FPGA 的数据采集方式作出如下对比。 （ 1） A/D 转换的控制 传统采集 模 式：通过软件控制数据采集的 A/D 转换。 缺点：频繁中断系统的运行，减弱系统数据运算能力，采集速度受限。 FPGA采集 模 式 ： FPGA的数据采集是 FPGA搭配一个高速模数转换器实现采集，因此整个数据的采集和 A/D 转换都是 由 硬件完成，可以最大限度的提高系统的数据 采样和处理能力。 （ 2）工作模式 传统采集 模 式：传统采集方式所用的 DSP 或单片机的工作模式是串行的，虽然其通过快速中断模式可以实现较高速的数据采集，但其指令更适合实现算法而不是逻辑控制，其外部接口的通用性较差。 而且串行的工作模式注定在同一时间只能采集一种信号 ， 这就必然限制了其采集速度和质量。 FPGA 采集 模 式： FPGA 是门级可编程器件，其最大的特点是工作模式为并行 模式。 因此，适于大数据量的高速 采集和 传输控制，可以集成外围控制、译码和接口电路。 （ 3）采集频率 传统采集模式： DSP 或单片机的编程控制是有指令集完成，指令集的执行必遵循指令周期。 因此 DSP/单片机的采集频率很大程序受到时钟的束缚，因此大多的 DSP 最大的采集速度为几十 兆 或上百 兆。 FPGA 采集模式： FPGA 由于内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，因此其时第二章 系统设计结构 7 钟频率很高，中高档的 FPGA 的时钟频率可 达 上 GHz。 （ 4）可扩展性 传统采集模式： DSP 或单片机的数据采集是将模拟信号直接输入到 AD 寄存器的引脚中，因此模 拟信号的输入受到 CPU 的供电电压的限制。 且当采集的对象处于干扰严重或高压环境下，对模拟信号的隔离也需做特别处理。 FPGA 采集模式： FPGA 的 I/O 数量较多，每一个 I/O 口的功能都大致相同，因此其可移植性更强。 而且由于 FPGA 的数据采集是配合一款 AD 来实现的，因此进入 FPGA 的信号是数字信号，对数字信号的隔离可有多种选择，如光电隔离 、 磁隔离等。 综合以上原因，在本系统中采用 基于 FPGA 的 采集 模式来搭建 采集 平台。 系统总体结构 由上文可知，电除尘器高频电源的数据采集系统就是建立在 FPGA 的 采集 平台上。 三 相 桥 式 整 流 全 桥 逆 变 电 路 高 频 变 压 器 高 压 硅 堆 整 流 除 尘 器小 磁 环H V H V 02 0 1T A 1三 相 滤 波 器( T P F )0 0 R0 0 S0 0 T0 0 1 R0 0 1 S0 0 1 TQ F 0快 熔0 1 3 S0 1 3 T0 1 3 RK M 0 BK M 00 1 4 R0 1 4 S0 1 4 T2 0 20 1 5 R0 1 5 S0 1 5 TG N D 0R S 1 图 21 系统结构图 注：虚线部分为本文研究内容 由上图可以看出，本文的主要研究对象为硬件电路设计和 FPGA 采集模块的实南京信息工程大学硕士学位论文 8 现。 硬件电路设计：硬件电路，即数据采集的调理电路，是保证采集信号可靠、准确的关键部分，调理电路包括尖峰信号的抑制、 RC 滤波、隔离等电路。 因为从干扰严重或室外环境下采集的模拟信号和数字信号都不可避免的受到了或多或少的干扰，导致信号的不准确，掺杂 其中 的尖峰信号会对后级元器件造成损坏，从而造成设备的故障，且维护困难。 因此在信号采 集之后、 AD 转换之前对信号进行一定的调理是非常重要的，而对信号的调理电路也成为采集电路不可或缺的一部分。 在本设计中，针对采集的信号的不同，设计不同的调理电路 ， 其中功能相同的电路，做成典型模块，使设计简易化。 在完成各部分的电路设计 后 ，最后给出实际电路的测试波形，以验证电路的正确性。