基于FLEX10K系列CPLD芯片实现转速监控系统的设计.docx

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1、基于F1EX10K系列CP1D芯片实现转速监控系统的设计1概述转速数据是水轮发电机组运行状况的重要标志之一。准确地测量机组的转速并根据转速的变化及时地进行各种必要的控制操作，以保证水轮发电机组正常、安全运行，是该监控装置应完成的功能。目前，国内水电站使用的大多是永磁发电机加电压继电器式、机械式等旧式转速信号器，存在结构复杂、测量精度低、工作可靠性差等缺点。本文所述的水轮发电机组转速监控系统是采用CP水(Comp1exProgrammab1e1o水CDevice)及少量的接口器件构成的,系统的功能结构描述采用VHD1(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareD

2、escription1anguage)。由于采用的CP1D甚柱能够高密度、高速度、高性能地实现复杂数字系统的设计，使硬件设计大大简化。具有设计硬件结构简单、测量精度高、抗干扰能力强等特点。2设计原理硬件结构如图1所示。CP1D芯片是整个系统设计的核心器件。2. 1转速传感器本设计中的转速传感器采用光电式脉冲维骤，与待测发电机主轴同轴相连。传感器上均匀分布有60个感光孔，使转速为n的水轮发电机，每分钟有60n个脉冲输出，即每秒有n个脉冲，故可以通过对传感器的输出脉冲频率fp的测量得到水轮发电机的转速值n(脉冲频率fp与转速n在数值上相等)。tF1JB1件编构图WM(rB)2.2输入电路输入电路由

3、施密特触发器和光电耦合器件构成,对光电传感器的输出脉冲信号进行整形放大，并实现光电传感器与CP1D的输入隔离，提高系统的工作可靠性。由于所有的AItera系列器件都使用CMOS处理工艺，与双极型工艺相比,具有功耗更低、可靠性更F1EX1OK系列CP1D芯片。F1EX（F1exib1e1ogicE1ementMatrix,可更改逻辑单元阵列）IOK系列器件是嵌入式P1D产品,每个F1EX10K器件包含一个嵌入式阵列和一个逻辑阵列。嵌入式阵列由一些嵌入式阵列块（EAB）组成，用于实现各种复杂的逻辑功能。逻辑阵列由逻辑阵列块组成，用于实现通用逻辑。F1EX1OK器件采用可重构的CNOSSRAM单元，

4、其结构集成了实现通用多功能门阵列所需的全部特征，器件容量可达1万25万门。具有功耗低（多数器件在静态模式下电流小于0.5mA）、互连方式灵活、支持多电压I/O接口等特点，能够高密度、高速度、高性能地将整个系统集成于单个器件中。表1提供了F1EX10K系列典型器件的特性。我1F1EXIoK察利型件特性y件nnEpfiokioEPFIOK2OKPFIOK5OEmoiUoOrr25o可用1厘oo20000soo1()00250GOO设料单以1r_2SO499212160遗物等列埃n1443606241520I/O引展也ISO1893104064704入阵列埃36IO1220电RAM位数6144I22

5、M2(M8O2457640960考虑本系统的性能、经济性等因素，选用EPF1OK1O器件完全能满足设计要求。2.4转速显示部分由于水轮发电机组的转速一般在3000rpm左右，所以用4个共阴极七段1ED数码管构成水轮发电机组的4b转速数字显示电路。2.5控制继电器组由于水轮发电机组的转速过低或过高都会影响发电系统正常、安全地工作，因此需相应的驱动报警电路和跑电路来保障其工作速度在允许的范围内。转速的上、下限值设定可根据实际机组的需要从CP1D的I/O功能引脚预置输入，应用VHD1语言描述，将CP1D测得的转速值与预置值比较，超限即送出信号到控制继电器组，使相应的继电器动作，驱动相应的报警电路和控

6、制电路工作。3CP1D的配置本设计中选用的CP1D芯片内部采用SRAM存储配置数据。由于SRAM的数据是易失的，每次系统上电时，必须用配置芯片对其进行配置，只有在配置正确的情况下，系统才能正常工作。因此常采用CP1D器件以外的EP晒，E2PR0M或F1ASHROM等非易失存储器作为配置芯片，保存配置数据。常用的配置芯片分为一次编程型和可擦除型2种。目前，在可编程逻辑器件的开发阶段多采用可擦写的配置芯片，例如EPC21C20,最终产品采用不可擦写的配置芯片，例如EPC1441PC8o但可擦除型芯片价格昂贵且擦写次数有限（IOO次左右），因此势必增加产品的开发成本。本次设计中采用单片机与外部串行E

7、2PR0M进行被动串行（PS）方式配置，组成配置板来替代一次编程型和可擦除型配置芯片。把配置板插在PS方式下载线的10针插头上，将把配置管脚与单片机的I/O号旦相连，对单片机编程仿真PS方式配置时序，将配置数据存入外部E2PR0M。由于不同的系统采用的电压不同，所以要求所选取的单片机和串行E2PR0M必须支持多电压工作。本设计选用MSP430系列的F1121型单片机，他是一种F1ASH型超低功耗16b单片机，20个管脚，表贴封装（SMT）,体积非常小，内部资源丰富，具有数控晶振,看门狗定时器,3个捕捉/比较寄存器的16b定时器，2个具有中断功能的8b并行端口，4kBR0M,256BRAM0不用

8、附加任何外围电路即可工作，有效地节省了配置电路板的面积。F1121单片机支持多电压工作，可以使配置板适应不同的工作电压。F1121的F1ASH型主存储器，通过JTAG控制器可以实现程序代码的下载，实现运行控制和在系统编程。4系统功能的VHD1描述本系统的顶层设计由3个子模块组成，顶层设计图如图2所示。下面给出测速模块和7段译码模块的VHD1描述，至于上下限比较模块，可根据预置值及具体的控制需要，编制相应的VHD1程序，使模块输出要求的控制信号。page模块说明：fp为光电传感器的输出脉冲，reset是8复位端了一,speed,speed1,speed2,SPeed3分别为脉冲计数的个位、十位、

9、百位、千位的BCD码输出，c1,c2,c3分别为个位向十位、十位向百位、百位向千位的进位。1ibraryicr;ueeee.*1JOfICjH64.meieee.ftdJpjcneii11；eMi1ypreJisprt(fp,nwrtinMdjogr.peed.BpII:burdJofkjverU*O);，湍口说幽f*rcd2.*prd3.XIrVdjo*jec1r3dvwnk*OB;Jewdapred;fvhi1crturrtrha*a1prvd*m1c1,c2.c3djgk；beginpdproce4(rec.fp)beginifre”,I,1he0redo.-o(xxr”Wnoooo”；

10、位时4位计数纳加零.prcd21OOOO-；kB.-00;各进位清等c1*0*.c2s*0*.c3,0,;ehif(fp,eemand!p*1,)IKenifspecd1001(henpeedOOOOw1C1edafwedI;c1crd11001then个仲的透位列.卜仅计数pred1-0000,.c2.,计列9,清零,件产，迸仔，eespeedIpcvdII;c2O;&到9,计H值加Iendif;endif;endProCCaaBPdI;pd2:proceMc2)XgieifPd23-0000M;r3T;+位的专位货,百G计政IpreJ2apred2I;c30;endtt*rndif.rnd

11、pna-eMd3-00-;ebpe*d3prd3I;endif;endif,endPrOCCMpd3;endbrhve;百位的进位列.千位计效.4.27段译码模块模块说明：speed,speed1,speed2,SPeed3分别为脉冲计数的个位、十位、百位、千位的BCD码输出，作为7段译码模块的输入，segcode0,segcode1,segcode2,SegCOde3分别为个位、十位、百位、千位的7段字段码输出。7段译码模块的VHD1语言描述如下：5结语本设计的VHD1程序在A1tera公司的MAX+P1US(Mu1tip1eArrayMatrixandProgrammab1e1ogicUserSystem)CP1D设计开发工具上进行编译仿真，较好地完成了设计要求的功能。在本系统的设计中，由于CP1D及迎_开发工具的使用，大大简化了硬件电路，降低了产品成本，缩短了设计周期，提高了系统的可靠性和灵活性。责任gt