潮流能發電監控系統的虛擬顯示器設計

林恩靈，馮相忠，劉玉良，楊君

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

0 引言

能源問題的日益嚴峻和全球氣候變化對人類生存構成了潛在威脅，而常規化石能源大量消耗所導致的二氧化碳等溫室氣體的過度排放被認為是危害地球環境的重要因素[1-2]。歐美許多國家當下投入了巨額經費用于開發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MCT公司研制的1.2 MW 潮流能水輪機/SeaGen于2008 年12 月建成，已實現并網發電，成為世界上第一個商業化潮流能電站。在亞洲，韓國取得的進展比較突出，該國Midland 電力公司跟英國Lunar能源公司已經宣布斥資500億英鎊在韓建立由300個水輪機組組成的工程項目，計劃2014年前總裝機容量達1.8 GW。我國潮流資源理論平均功率高達139. 4852 GW[3]，據統計50%以上分布在浙江省岱山海域。中國首座70 kW 潮流試驗電站已于2002年4月建成。潮流能發電系統的總體結構如圖1所示，由圖可見，監測與控制是整個系統的關鍵所在。跟火電等常規發電相比，潮流能發電監控難度很大，而潮流能發電的穩定性研究始終是該領域的熱點與難點之一。近年來，國內科研院所在潮流能發電監控方面取得一些研究成果，但是，跟國外相比相對滯后。目前潮流能發電監控相關產品的設計大多基于ASIC芯片，價格高，靈活性不強，短期內難以推廣應用。基于此，本文以數字信號處理芯片DSP、復雜可編程邏輯器件CPLD以及USB接口芯片為主，設計了一個面向潮流能發電監控應用的虛擬顯示器。該虛擬顯示器將計算機和數據采集系統結合在一起，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，而主機端采用美國NI公司的Windows/ CVI軟件實時顯示潮流能發電的動態信息。

圖1 潮流能發電總體結構圖

圖2 潮流能發電監控結構圖

1 潮流能發電監控系統概述

潮流能發電監控系統一般由永磁同步發電機、自動變槳距控制系統、電磁離合器、電磁制動器、整流模塊、蓄電池充放電控制電路、閥控式鉛酸蓄電池、逆變器以及用電設備組成[1]，典型結構如圖2所示。由于潮流方向、潮流速度以及海面上風向、風速的準隨機變化，工作過程系統根據水輪機扭矩、速度等關鍵參數形成電機控制信號，通過伺服機構使水輪機工況限制在容許的浮動范圍，以期達到潮流能發電系統持續穩定發電的目的。由圖2知，參數采集與實時顯示是潮流能發電監控的先決條件，傳統方法是通過實際表盤和按鈕顯示參數，本文則是研究潮流能發電參數的虛擬顯示方式，顯示功能由軟件控制，目的是提高參數顯示的效率和功能升級的靈活性。

2 虛擬顯示器的硬件設計

基于DSP和CPLD的虛擬顯示器的總體結構如圖3所示。圖3的多路傳感器用來檢測水輪機扭矩、速度以及水流速度、方向等關鍵參數數據，將這些物理數據轉換成模擬電參數。前端信號調理電路對傳感器檢測信號進行增益調理，使其達到A/D允許的輸入范圍。在CPLD的控制下，A/D對輸入信號進行模數轉換并將數據實時地保存到存儲器SRAM1中，隨后DSP與CPLD相配合從SRAM1中取出數據，通過USB接口傳送到主機。主機端應用程序通過驅動程序讀取USB總線傳送的數據并顯示。工作過程中，主機可隨時通過USB接口發送命令給采集卡上的DSP，如改變數據通道、改變采樣率等。整個虛擬示波器的硬件由三部分組成，即信號調理及A/D轉換模塊，CPLD控制模塊和DSP模塊（帶USB接口）。信號調理及A/D轉換模塊采用普通的（放大、濾波）模擬電路和2片A/D轉換芯片AD9288。下面論述其他兩個模塊的設計。

圖3 虛擬顯示器總體結構圖

2.1 CPLD模塊設計

該模塊是整個示波器板卡的采集控制核心，根據系統要求使用的CPLD 芯片型號為Altera的MAXⅡ系列芯片EPM1270T144C5[4]。

本系統中，CPLD實現的功能邏輯有：接受DSP發出的開始采樣信號，實現對ADC的控制，提供分頻采樣信號，開始AD轉換；為ADC同步提供RAM地址計數器和寫信號，把每次A/D轉換結果存入SRAM1，并自動增加地址；當數據采集到達指定的深度后（如4k的樣本量），CPLD發出AD OK中斷信號給DSP，表示RAM已滿。通過CPLD構成的總線切換電路，DSP從SRAM1中取出數據，通過USB送入PC機，完成一次數據存取。CPLD內部的邏輯除了完成采樣存取外，還必須根據DSP發送的指令完成采樣率，存儲器深度的設定等。另外，在本系統中還用CPLD實現了DSP外擴存儲器的譯碼電路。

2.2 帶USB接口的DSP模塊設計

（1） DSP部分設計

本系統采用DSP芯片TMS320VC5409[5]。系統啟動時，DSP通知CPLD啟動采集，采集完畢后DSP便可以訪問SRAM1中的數據，并完成后繼的數據處理工作。為存儲程序以及實現系統的上電啟動，DSP外加了一片Flash。同時，擴展了一片SRAM芯片作為片外數據存儲空間，不僅使系統的調試方便，還可以用于存儲DSP處理數據的結果。DSP的調試采用JTAG接口。整個DSP模塊結構如圖4所示。

（2）驅動程序設計

USB驅動程序也叫客戶驅動程序，它不直接與硬件對話，僅靠創建USB請求塊URB并使用USB驅動程序接口USBDI將URB提交到總線驅動程序就可完成硬件操作。

USB設備驅動程序的設計是基于WDM的。雖然Windows提供了多種USB設備驅動程序，但是對于特定的設備必須自己開發相應USB驅動程序。USB驅動程序是支持即插即用功能的標準WDM 驅動程序，它為實現控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸提供了標準接口函數。

開發驅動程序的工具有Microsoft 公司的DDK，KRF-TECH公司的WINDRIVER等。Cypress公司為了方便用戶開發USB 接口，在CY7C68013 的開發包中提供了一個通用驅動程序， 該程序可經D D K 編譯后直接使用。在本系統開發中，采用的就是這個通用驅動程序。

（3）USB接口設計

本文示波板卡通過USB接口同PC機相連，綜合考慮成本、開發復雜度等因素，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協議，是一個全面集成的解決方案，占用電路板空間少而且開發時間短。CY7C68013主要包括1個8051 處理器、1個智能串行接口引擎(SIE)、1個USB收發器、16KB 片上RAM(其中包括4KB FIFO)存儲器以及1 個通用可編程接口(GPIF)。CY7C68013 還具有如下特點：① 包括1個智能串行接口引擎(SIE)，執行U S B的基本功能，將嵌入的MCU解放出來以用于實現其它豐富的功能，以保證持續高速有效的數據傳輸；② 具有4KB的大容量FIFO用于數據緩沖，當作為從設備時，可采用Synchronous/ Asynchronous FIFO 接口與主設備( 如ASIC，DSP等) 連接；當作為主設備時，可通過通用可編程接口(GPIF ) 形成任意的控制波形來實現與其它從設備連接，能夠輕易地兼容絕大多數總線標準，包括ATA、UTOPIA 、EPP 和PCMCIA等；③ 固件軟配置，可將需要在CY7C68013上運行的固件，存放在主機上，當USB設備連上主機后，下載到設備上，這樣就實現了在不改動硬件的情況下很方便地修改固件；④ 能夠充分實現USB2.0(2000版)協議，并向下兼容USB1.1。

圖4 DSP模塊結構圖

3 虛擬顯示器的軟件設計

該系統的軟件設計主要包括DSP軟件設計、USB軟件設計和主機端軟件設計。主機端軟件設計，我們采用面向儀器的交互式C語言開發平臺LabWindows/CVI。生成的軟面板包括顯示屏、Time/Div、 Voltage/Div、 Coupling， Trigger、Level等，與傳統示波器的控制面板基本相同。界面上的各個控制按鈕通過USB的驅動程序與板卡通信。其他兩部分軟件設計過程如下。

3.1 DSP軟件設計

DSP模塊內除去啟動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。本系統選用了Slave FIFOs方式，異步讀寫。Slave FIFOs 方式是從機方式，DSP 可以像讀寫普通FIFO 一樣讀寫CY7C68013內部的多層緩沖FIFO。工作過程為：DSP通過USB向PC發送數據時，首先查看空、半滿和滿這三個狀態信號，然后向US B寫入適當大小的數據，以保證數據不會溢出；PC 機通過USB向DSP發送命令字時，USB通過中斷方式通知DSP讀取命令字。

DSP與CPLD接口的控制信號線有AD START，AD OK等，工作過程首先置AD START信號線為高，告訴CPLD當前處于采樣階段，此時CPLD依據時序要求配合A/D進行采樣。當采樣到達指定的深度后，CPLD通過AD OK信號線通知DSP數據已準備就緒。此時，DSP軟件置AD START信號線為低，表示當前處于讀數據階段，讀數據的時鐘由DSP進行控制。當主機端命令到達時，DSP將命令代碼通過命令IO控制CPLD，CPLD將命令代碼按照預先規定的協議譯碼，完成控制操作。DSP將接收到的數據進行一系列的處理，然后通過USB接口將數據傳送到主機，直到所有的數據都傳送完成。由于該示波板卡DSP具有較強的數據處理能力，可以在DSP芯片內部實現數字濾波、數據壓縮等數字信號處理的功能，這也減輕了主機端數據處理的壓力。

3.2 主機端軟件設計

虛擬儀器系統開發中常用的軟件平臺有Visual C++、Visual Basic、Delphi、C++ Builde等，考慮到設計周期等因素我們采用虛擬儀器專用開發環境 LabWindows/CVI。在上述軟硬件協調下，潮流能發電監控虛擬顯示系統的數據采集和上傳的工作流程如圖5所示。

4 結語

本文設計的虛擬顯示器以通用芯片DSP和CPLD為硬件基礎，靈活易用還可以將一些先進的數字信號處理算法加入到程序中，實現虛擬顯示器的功能升級。以本文虛擬顯示器為基礎的潮流能發電監控系統，能對水輪機的扭矩、速度以及水流速度、方向等關鍵參數實時監視，還可以將采集到的數據存儲在計算機或硬盤上，對發電系統進行工況分析和故障預測，因而相關設備具有性價比高、易推廣等優點。

圖5 虛擬顯示器的工作流程圖

[1] 王剛, 歷文超, 王樹杰, 等. 海洋潮流能發電機組控制系統開發[J], 電力系統自動化, 2010.07, 34(14)：23-26, 69.

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

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

[4] 宋萬杰, 羅豐, 吳順君. CPLD技術及其應用[M].西安:西安電子科技大學出版社, 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.