基于FPGA的FFT处理器的设计与仿真.docx

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基于FPGA的FFT处理器的设计与仿真

25卷　第11期2008年11月

微电子学与计算机

MICROELECTRONICS&COMPUTER

Vol.25　No.11November2008

收稿日期:

2008-01-20

基金项目:

陕西省教育厅专项科研计划项目（02JC50

基于FPGA的FFT处理器的设计与仿真

董　惠1,2,卫铭斐2,江　丽2,曾　俊2

（1西北工业大学自动化学院,陕西西安710072;2,710055

摘　要:

FFT处理器.2,,由6个功能模块组成.整个设计

基于VerilogHDL,A,并运用QuartusⅡ工具进行了综合仿真.仿真,对电网谐波分析与经济运行具有实用价值.关键词:

FFT语言;QuartusII;电力参数

中图分类号:

文献标识码:

A　　　　　文章编号:

1000-7180（200811-0117-04

DesignandSimulationofFFTProcessorAppliedinElectricPowerGridParameters

DONGHui1,2,WEIMing2fei2,JIANGLi2,ZENGJun2

（1SchoolofAutomation,NorthwesternPolytechnicUniversity,Xi′an710072,China;

2SchoolofInformationandAutomation,Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi′an710055,ChinaAbstract:

Basedonharmonicandunbalancederrorsofpowergrid,FFTarithmeticisutilizedinparameterreal2timecalcu2lationandFFTprocessorisdesignedandimplemented.Theproposedprocessoradoptsradix22DIFalgorithm,pipelinedarchitectureandfixed2pointoperation.Itiscomposedwithsixdifferentfunctionalmodules,employingVerilogHDLashardwaredescriptionlanguage,FPGAasthelogiccontroller,QuartusIIasdesigningandsynthesissimulationtool.ThesimulationresultsindicatedFFTprocessorapproachedtherequirementsofhighaccuracymonitoringandmeasuringofelec2tricpowerparameters,whichisvaluableforharmonicanalysisandeconomicoperationofpowergrid.Keywords:

FFTprocessor;FPGA;VerilogHDL;QuartusII;electricpowerparameter

1　引言

目前电网普遍存在着较大的谐波误差和不对称

误差,对电网的各种运行参数进行实时准确的监测非常重要,是保证电网安全运行的前提和依据.文中设计的电力参数监测用FFT处理器,以FPGA作为逻辑控制器,用VerilogHDL硬件描述语言设计,把FFT的实时化要求与FPGA的灵活性结合起来,采用频域FFT算法对三相电压、电流、有功功率、无功功率和不平衡度等进行计算,以得到电网中电压、电流以及各类谐波成分的参量,计算出电网负载的大

小及非线性度,以便于进行无功补偿.处理器满足高

精度电力参数监测的要求[1].

2　FFT处理器的总体设计方案

FFT处理器实现对6路电力参数的64点采

样,根据频域计算公式计算出电网的有功功率、无功功率、功率因数和不平衡度等.FFT处理器的设计采用自底向上的设计方案,遵循模块化、规则化和局部化的原则,逐一对每个模块进行设计.采用Ver2ilogHDL语言对FFT处理器中的各个模块进行设计,QuartusⅡ工具进行仿真[223].

处理器的主要功能模块包括:

算术逻辑单元、蝶形运算单元、双端口RAM、旋转因子ROM、时序控制单元、电力参数计算单元、系统顶层控制电路和数

据处理单元设计等.图1是顶层控制电路和数据处

理单元原理图

.

图1　顶层控制电路和数据处理单元原理图

2.1　算术逻辑单元

算术逻辑单元对16位有符号数求和、求差和乘

积,提供给蝶形运算器计算.考虑到综合工具Quar2tusII总是将算术运算统一为无符号型,因此,对加、减法器进行如下改进[4].

加法器:

lpmsubdspasub1（.dataa（16’hFFFF,.datab（B,.result（so2;

assigndata=（B[15]?

A-（so2+1’b1:

so;

减法器:

lpmsubdspsub2（.dataa（16’

hFFFF,.datab（B,.result（so2;

assigndata=（B[15]?

so2+A+1’b1:

so;

乘法器采用altera提供的MegaCore,其LPM2MULTI支持16位有符号乘法运算.除法计算采用移位算法,大大加快了计算速度.图2为算术逻辑单元仿真结果

.

图2　算术逻辑单元仿真结果

2.2　蝶形运算单元蝶形运算器是FFT处理器的核心模块,它的精

度和速度决定着整个FFT处理器的精度和速度.文中它主要完成6个16位有符号整数的4次乘法,4次加法和4次减法.

经算法原理分析得到计算公式如下:

X（1=Ar+Br3Wr-Bi3Wi+j（Ai+Wr3Bi+

WiBr,

X（2=Ar-Br3Wr+Bi3Wi+j（Ai-Wr3Bi-WiBr,

其中的输入是由控制单元提供的复数A,B和

旋转因子WK

N,图3为蝶形运算单元的仿真波形.2.3　双端口RAM

双端口RAM同时存储输入序列和蝶形运算完

8

11微电子学与计算机2008年

成后的输出序列,通过QuartusII生成满足设计需要的双端口RAM,宽度为32,单元数为64,初始化文件设置成作为测试输入的正弦信号做64点采样的模拟数据.图4为双端口RAM仿真结果

.

3　图4　双端口RAM仿真结果

2.4　旋转因子ROM

为完成蝶形运算需要提供旋转因子,旋转因子

WK

N产生电路由一片ROM和地址发生器组成,用于查询在运行过程中需要用到的旋转因子,旋转因子实际上是复平面单位圆上均匀拆分的点,设计中采用64点FFT,需计算从0开始到31的部分,通过ROM初始化文件的形式放于ROM中,实部放输出WKN的高16位,虚部放输出WK

N的低16位,供控制

单元查询后参与蝶形运算.2.5　时序控制单元

时序控制单元的主要功能是协调傅里叶变换整体时序,产生读写地址对,为旋转因子单元提供运行状态指针,为上层单元提供控制信号等.由于参与运算的量较多,设计中采用双级状态机,将底层复杂状态交由二级状态机完成,而总体时序、门控信号均交给上级状态机.图5为时序控制仿真结果.

图5　时序控制仿真结果

2.6　电力参量计算及存储单元

64点FFT[5]计算完成后,根据RAM内的频谱

计算电压、流有效值和功率等参数,同时调用存储单

元将参数保存至外围存储器中,设计在保存参数时总是构造512字节的包,采用CRC32算法对包进行编码.频域计算电量公式如下:

I=∑

N/2

k=1

[I2

R

（k+I2

I（k],U=∑

N/2

k=1

[U2R

（k+U2I（k],

P=2

∑

N/2

k=1

Re[Ua（k・I3a

（k+Ua（k・I3

b

（k+Uc（k・I3

c

（k],9

11　第11期董惠,等:

基于FPGA的FFT处理器的设计与仿真

Q=2

∑

N/2

k=1

Im[Ua（k・I3

a

（k+Ua（k・I3b（k+Uc（k・I3

c（k].

式中,IR,UR,II,UI分别表示电压、电流经傅里叶变换到频域后的实部和虚部.Re[]表示求括号内复数的实部;Im[]表示求括号内复数的虚部.

3　FFT处理器误差分析

FFT算法随着系统频率及采样频率的变化,存

在计算误差,这种误差是可以控制的.据总线统一为16位,地将浮点数放大32位16位,即除以32767/32768.14位有符号型A/D转换结果,系统的总体计算误差约为1/1024.

4　结束语

文中采用FPGA作为逻辑控制器,MAX1320作为多路采样保持A/D转换器,设计了电力参数监测用FFT处理器.在电网含谐波误差和不对称误差情况下,对三相电压、电流进行实时采集,通过自主设计的具有原位运算能力的FFT处理器,计算输入序列的频谱,根据频域计算公式,计算出电网的有功

功率、无功功率、功率因数和不平衡度等,通过存储控制器将这些电网运行参数保存到大容量NANDFLASH存储器中,可供上位机查询近一年内精确到分钟的电网运行参数.参考文献:

[1]简弘伦.精通设计核心技术实例详解

M].:

[2]datasheet[M].USA:

Altera

]MaY,WanhammarL.Ahardwareefficientcontrolof

memoryaddressingforhighperformanceFFTprocessors[J].IEEEtransactionsonsignalprocessing,2000,48（3:

917-921.

[4]杨博涵,李明,沈绪榜.一种基于SIMD-MCC计算机的

二维FFT并行算法[J].微电子学与计算机,2005,22

（2:

104-107.

[5]李小进,初建朋,赖宗声,等.高速基2FFT处理器的结

构设计与FPGA实现[J].电路与系统学报,2005,10

（5:

49-53.

作者简介:

董　惠　女,（1966-,博士研究生,副教授.研究方向为智能信息处理与信息控制.

（上接第116页

多阶HMM预测器进行融合的用户浏览行为预测模

型.它针对已有的多预测器融合方法的不足进行了改进.具有以下特点:

（1在融合中通过对不同用户浏览模式分类,建立多Morkov链模型模型并以其预测结果为HMM预测器的输出置信度指标,拓展了经典的网页访问预测多HMM模型融合方法的先验信息,以提高用户访问页面的预测准确率;

（2该算法通过模糊积分理论融合1～N阶HMM模型预测结果,相对已有的线性加权方法具

有保真性和客观性,具有更高的预测准确率.

性能测试实验的结果表明,该模型具有较好的整体性能,可广泛用于为Web站点管理、电子商务以及网页预取等领域.参考文献:

[1]SarukkaiRR.Linkpredictionandpathanalysisusing

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21微电子学与计算机2008年