潮流能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的虛擬顯示器設(shè)計(jì)

林恩靈，馮相忠，劉玉良，楊君

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程，舟山 316004；2.浙江省舟山市港航管理局，舟山，316000）

0 引言

能源問題的日益嚴(yán)峻和全球氣候變化對(duì)人類生存構(gòu)成了潛在威脅，而常規(guī)化石能源大量消耗所導(dǎo)致的二氧化碳等溫室氣體的過度排放被認(rèn)為是危害地球環(huán)境的重要因素[1-2]。歐美許多國(guó)家當(dāng)下投入了巨額經(jīng)費(fèi)用于開發(fā)海洋能等可再生綠色能源，而且取得引人注目的成效。例如，英國(guó)MCT公司研制的1.2 MW 潮流能水輪機(jī)/SeaGen于2008 年12 月建成，已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，成為世界上第一個(gè)商業(yè)化潮流能電站。在亞洲，韓國(guó)取得的進(jìn)展比較突出，該國(guó)Midland 電力公司跟英國(guó)Lunar能源公司已經(jīng)宣布斥資500億英鎊在韓建立由300個(gè)水輪機(jī)組組成的工程項(xiàng)目，計(jì)劃2014年前總裝機(jī)容量達(dá)1.8 GW。我國(guó)潮流資源理論平均功率高達(dá)139. 4852 GW[3]，據(jù)統(tǒng)計(jì)50%以上分布在浙江省岱山海域。中國(guó)首座70 kW 潮流試驗(yàn)電站已于2002年4月建成。潮流能發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖可見，監(jiān)測(cè)與控制是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。跟火電等常規(guī)發(fā)電相比，潮流能發(fā)電監(jiān)控難度很大，而潮流能發(fā)電的穩(wěn)定性研究始終是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一。近年來，國(guó)內(nèi)科研院所在潮流能發(fā)電監(jiān)控方面取得一些研究成果，但是，跟國(guó)外相比相對(duì)滯后。目前潮流能發(fā)電監(jiān)控相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)大多基于ASIC芯片，價(jià)格高，靈活性不強(qiáng)，短期內(nèi)難以推廣應(yīng)用?；诖耍疚囊詳?shù)字信號(hào)處理芯片DSP、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD以及USB接口芯片為主，設(shè)計(jì)了一個(gè)面向潮流能發(fā)電監(jiān)控應(yīng)用的虛擬顯示器。該虛擬顯示器將計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合在一起，具有虛擬面板和用戶自定義功能。它將采集到的信息通過USB 接口芯片傳入主機(jī)，而主機(jī)端采用美國(guó)NI公司的Windows/ CVI軟件實(shí)時(shí)顯示潮流能發(fā)電的動(dòng)態(tài)信息。

圖1 潮流能發(fā)電總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 潮流能發(fā)電監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

1 潮流能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)概述

潮流能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)一般由永磁同步發(fā)電機(jī)、自動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)、電磁離合器、電磁制動(dòng)器、整流模塊、蓄電池充放電控制電路、閥控式鉛酸蓄電池、逆變器以及用電設(shè)備組成[1]，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于潮流方向、潮流速度以及海面上風(fēng)向、風(fēng)速的準(zhǔn)隨機(jī)變化，工作過程系統(tǒng)根據(jù)水輪機(jī)扭矩、速度等關(guān)鍵參數(shù)形成電機(jī)控制信號(hào)，通過伺服機(jī)構(gòu)使水輪機(jī)工況限制在容許的浮動(dòng)范圍，以期達(dá)到潮流能發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的目的。由圖2知，參數(shù)采集與實(shí)時(shí)顯示是潮流能發(fā)電監(jiān)控的先決條件，傳統(tǒng)方法是通過實(shí)際表盤和按鈕顯示參數(shù)，本文則是研究潮流能發(fā)電參數(shù)的虛擬顯示方式，顯示功能由軟件控制，目的是提高參數(shù)顯示的效率和功能升級(jí)的靈活性。

2 虛擬顯示器的硬件設(shè)計(jì)

基于DSP和CPLD的虛擬顯示器的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3的多路傳感器用來檢測(cè)水輪機(jī)扭矩、速度以及水流速度、方向等關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，將這些物理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬電參數(shù)。前端信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)理，使其達(dá)到A/D允許的輸入范圍。在CPLD的控制下，A/D對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地保存到存儲(chǔ)器SRAM1中，隨后DSP與CPLD相配合從SRAM1中取出數(shù)據(jù)，通過USB接口傳送到主機(jī)。主機(jī)端應(yīng)用程序通過驅(qū)動(dòng)程序讀取USB總線傳送的數(shù)據(jù)并顯示。工作過程中，主機(jī)可隨時(shí)通過USB接口發(fā)送命令給采集卡上的DSP，如改變數(shù)據(jù)通道、改變采樣率等。整個(gè)虛擬示波器的硬件由三部分組成，即信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊，CPLD控制模塊和DSP模塊（帶USB接口）。信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊采用普通的（放大、濾波）模擬電路和2片A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9288。下面論述其他兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。

圖3 虛擬顯示器總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 CPLD模塊設(shè)計(jì)

該模塊是整個(gè)示波器板卡的采集控制核心，根據(jù)系統(tǒng)要求使用的CPLD 芯片型號(hào)為Altera的MAXⅡ系列芯片EPM1270T144C5[4]。

本系統(tǒng)中，CPLD實(shí)現(xiàn)的功能邏輯有：接受DSP發(fā)出的開始采樣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的控制，提供分頻采樣信號(hào)，開始AD轉(zhuǎn)換；為ADC同步提供RAM地址計(jì)數(shù)器和寫信號(hào)，把每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存入SRAM1，并自動(dòng)增加地址；當(dāng)數(shù)據(jù)采集到達(dá)指定的深度后（如4k的樣本量），CPLD發(fā)出AD OK中斷信號(hào)給DSP，表示RAM已滿。通過CPLD構(gòu)成的總線切換電路，DSP從SRAM1中取出數(shù)據(jù)，通過USB送入PC機(jī)，完成一次數(shù)據(jù)存取。CPLD內(nèi)部的邏輯除了完成采樣存取外，還必須根據(jù)DSP發(fā)送的指令完成采樣率，存儲(chǔ)器深度的設(shè)定等。另外，在本系統(tǒng)中還用CPLD實(shí)現(xiàn)了DSP外擴(kuò)存儲(chǔ)器的譯碼電路。

2.2 帶USB接口的DSP模塊設(shè)計(jì)

（1） DSP部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DSP芯片TMS320VC5409[5]。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，DSP通知CPLD啟動(dòng)采集，采集完畢后DSP便可以訪問SRAM1中的數(shù)據(jù)，并完成后繼的數(shù)據(jù)處理工作。為存儲(chǔ)程序以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上電啟動(dòng)，DSP外加了一片F(xiàn)lash。同時(shí)，擴(kuò)展了一片SRAM芯片作為片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，不僅使系統(tǒng)的調(diào)試方便，還可以用于存儲(chǔ)DSP處理數(shù)據(jù)的結(jié)果。DSP的調(diào)試采用JTAG接口。整個(gè)DSP模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（2）驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB驅(qū)動(dòng)程序也叫客戶驅(qū)動(dòng)程序，它不直接與硬件對(duì)話，僅靠創(chuàng)建USB請(qǐng)求塊URB并使用USB驅(qū)動(dòng)程序接口USBDI將URB提交到總線驅(qū)動(dòng)程序就可完成硬件操作。

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于WDM的。雖然Windows提供了多種USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但是對(duì)于特定的設(shè)備必須自己開發(fā)相應(yīng)USB驅(qū)動(dòng)程序。USB驅(qū)動(dòng)程序是支持即插即用功能的標(biāo)準(zhǔn)WDM 驅(qū)動(dòng)程序，它為實(shí)現(xiàn)控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸提供了標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。

開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的工具有Microsoft 公司的DDK，KRF-TECH公司的WINDRIVER等。Cypress公司為了方便用戶開發(fā)USB 接口，在CY7C68013 的開發(fā)包中提供了一個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序， 該程序可經(jīng)D D K 編譯后直接使用。在本系統(tǒng)開發(fā)中，采用的就是這個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序。

（3）USB接口設(shè)計(jì)

本文示波板卡通過USB接口同PC機(jī)相連，綜合考慮成本、開發(fā)復(fù)雜度等因素，我們選擇Cypress 公司的FX2系列中的CY7C68013[6]作為USB接口芯片。CY7C68013支持USB2.0協(xié)議，是一個(gè)全面集成的解決方案，占用電路板空間少而且開發(fā)時(shí)間短。CY7C68013主要包括1個(gè)8051 處理器、1個(gè)智能串行接口引擎(SIE)、1個(gè)USB收發(fā)器、16KB 片上RAM(其中包括4KB FIFO)存儲(chǔ)器以及1 個(gè)通用可編程接口(GPIF)。CY7C68013 還具有如下特點(diǎn)：① 包括1個(gè)智能串行接口引擎(SIE)，執(zhí)行U S B的基本功能，將嵌入的MCU解放出來以用于實(shí)現(xiàn)其它豐富的功能，以保證持續(xù)高速有效的數(shù)據(jù)傳輸；② 具有4KB的大容量FIFO用于數(shù)據(jù)緩沖，當(dāng)作為從設(shè)備時(shí)，可采用Synchronous/ Asynchronous FIFO 接口與主設(shè)備( 如ASIC，DSP等) 連接；當(dāng)作為主設(shè)備時(shí)，可通過通用可編程接口(GPIF ) 形成任意的控制波形來實(shí)現(xiàn)與其它從設(shè)備連接，能夠輕易地兼容絕大多數(shù)總線標(biāo)準(zhǔn)，包括ATA、UTOPIA 、EPP 和PCMCIA等；③ 固件軟配置，可將需要在CY7C68013上運(yùn)行的固件，存放在主機(jī)上，當(dāng)USB設(shè)備連上主機(jī)后，下載到設(shè)備上，這樣就實(shí)現(xiàn)了在不改動(dòng)硬件的情況下很方便地修改固件；④ 能夠充分實(shí)現(xiàn)USB2.0(2000版)協(xié)議，并向下兼容USB1.1。

圖4 DSP模塊結(jié)構(gòu)圖

3 虛擬顯示器的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP軟件設(shè)計(jì)、USB軟件設(shè)計(jì)和主機(jī)端軟件設(shè)計(jì)。主機(jī)端軟件設(shè)計(jì)，我們采用面向儀器的交互式C語言開發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI。生成的軟面板包括顯示屏、Time/Div、 Voltage/Div、 Coupling， Trigger、Level等，與傳統(tǒng)示波器的控制面板基本相同。界面上的各個(gè)控制按鈕通過USB的驅(qū)動(dòng)程序與板卡通信。其他兩部分軟件設(shè)計(jì)過程如下。

3.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

DSP模塊內(nèi)除去啟動(dòng)和必要的初始化程序外，主要是與USB和CPLD通信的程序。CY7C68013的USB2.0連接方法有兩種，即Slave FIFOs和Master可編程接口GPIF。本系統(tǒng)選用了Slave FIFOs方式，異步讀寫。Slave FIFOs 方式是從機(jī)方式，DSP 可以像讀寫普通FIFO 一樣讀寫CY7C68013內(nèi)部的多層緩沖FIFO。工作過程為：DSP通過USB向PC發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先查看空、半滿和滿這三個(gè)狀態(tài)信號(hào)，然后向US B寫入適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)不會(huì)溢出；PC 機(jī)通過USB向DSP發(fā)送命令字時(shí)，USB通過中斷方式通知DSP讀取命令字。

DSP與CPLD接口的控制信號(hào)線有AD START，AD OK等，工作過程首先置AD START信號(hào)線為高，告訴CPLD當(dāng)前處于采樣階段，此時(shí)CPLD依據(jù)時(shí)序要求配合A/D進(jìn)行采樣。當(dāng)采樣到達(dá)指定的深度后，CPLD通過AD OK信號(hào)線通知DSP數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒。此時(shí)，DSP軟件置AD START信號(hào)線為低，表示當(dāng)前處于讀數(shù)據(jù)階段，讀數(shù)據(jù)的時(shí)鐘由DSP進(jìn)行控制。當(dāng)主機(jī)端命令到達(dá)時(shí)，DSP將命令代碼通過命令I(lǐng)O控制CPLD，CPLD將命令代碼按照預(yù)先規(guī)定的協(xié)議譯碼，完成控制操作。DSP將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，然后通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，直到所有的數(shù)據(jù)都傳送完成。由于該示波板卡DSP具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，可以在DSP芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮等數(shù)字信號(hào)處理的功能，這也減輕了主機(jī)端數(shù)據(jù)處理的壓力。

3.2 主機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)中常用的軟件平臺(tái)有Visual C++、Visual Basic、Delphi、C++ Builde等，考慮到設(shè)計(jì)周期等因素我們采用虛擬儀器專用開發(fā)環(huán)境 LabWindows/CVI。在上述軟硬件協(xié)調(diào)下，潮流能發(fā)電監(jiān)控虛擬顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和上傳的工作流程如圖5所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的虛擬顯示器以通用芯片DSP和CPLD為硬件基礎(chǔ)，靈活易用還可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法加入到程序中，實(shí)現(xiàn)虛擬顯示器的功能升級(jí)。以本文虛擬顯示器為基礎(chǔ)的潮流能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)水輪機(jī)的扭矩、速度以及水流速度、方向等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視，還可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)或硬盤上，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行工況分析和故障預(yù)測(cè)，因而相關(guān)設(shè)備具有性價(jià)比高、易推廣等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 虛擬顯示器的工作流程圖

[1] 王剛, 歷文超, 王樹杰, 等. 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)開發(fā)[J], 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010.07, 34(14)：23-26, 69.

[2] 鞏冰, 朱麗娟, 游江. 海洋潮流能發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)研究[J], 電測(cè)與儀表, 2010.08,47(8)：36-40.

[3] 喬繁盛. 大力開發(fā)新能源和可再生能源. 國(guó)土資源情報(bào), 2005 (12) : 17221.

[4] 宋萬杰, 羅豐, 吳順君. CPLD技術(shù)及其應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2000.

[5] TMS320VC5409A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual [R]. SPRS140D, Dallas: Texas Instruments, 2002.

[6] Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB(R) FX2 GPIF Primer, 2003.