葉品勇，吳銀福，邵宗衛(wèi)，關(guān)繼勇，陳新之，周兆慶

(1.南京電研電力自動(dòng)化股份有限公司，南京 210000；2.南京國(guó)電南自自動(dòng)化有限公司，南京 211100)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的推進(jìn)和相關(guān)技術(shù)研究的深入，對(duì)繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備的精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的考核要求越來(lái)越高，因此需要一款能夠模擬電壓、電流輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生裝置。該裝置應(yīng)具備調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅、采樣率可調(diào)以及諧波疊加等各項(xiàng)繼電保護(hù)測(cè)試儀的功能，同時(shí)還應(yīng)具備輸出信號(hào)可編程功能。

現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)因靈活性、可靠性和集成度高而逐漸受人矚目。由于計(jì)算精度與存儲(chǔ)容量的矛盾，在存儲(chǔ)資源有限的FPGA芯片中，常用的查找表實(shí)現(xiàn)余弦函數(shù)離散值的方法已沒(méi)有優(yōu)勢(shì)[1-8]。因此，本文提出了一種查找表與拉格朗日插值相結(jié)合的算法，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，在保證精度的前提下優(yōu)化了算法的輸出時(shí)延和資源消耗。

1 算法介紹

連續(xù)余弦函數(shù)常見(jiàn)的表達(dá)式為F=Acos(ωt+φ)=Acos(2πft+φ)，式中：A為幅值；f為頻率；φ為初相角。在數(shù)字系統(tǒng)中需要對(duì)連續(xù)函數(shù)進(jìn)行離散化處理，離散余弦函數(shù)常見(jiàn)的表達(dá)式為

k=0，1，2，…。

(1)

式中：s為采樣率，即每秒采樣點(diǎn)數(shù)；k為采樣序號(hào)。

根據(jù)式(1)可直接計(jì)算每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，然而這種方式需要消耗大量的FPGA邏輯資源且計(jì)算延時(shí)長(zhǎng)。采用查表法，如果查找表顆粒度太粗，則精度不夠，顆粒度太細(xì)，則需要建立一個(gè)龐大的查找表，占用大量的FPGA存儲(chǔ)資源。鑒于此，為了在FPGA中實(shí)現(xiàn)余弦函數(shù)離散值生成器，綜合考慮邏輯資源和運(yùn)算速度，采用查表插值法是一種較合適的方法。

2 查表插值法

首先，建立一個(gè)整周波查找表，為了減少FPGA邏輯資源消耗，在滿(mǎn)足精度的前提下采用定點(diǎn)數(shù)表示。將F=32 768 cosθ均勻分割成1 024份，每份偏移角度為 2π/1 024，按四舍五入取，形成查表插值法的基準(zhǔn)查找表，見(jiàn)表1。將基準(zhǔn)查找表中1 024個(gè)采樣點(diǎn)按順序排列，波形如圖1所示。

表1 余弦函數(shù)基準(zhǔn)查找表Tab.1 Cosine function reference lookup

圖1 余弦函數(shù)基準(zhǔn)采樣點(diǎn)波形Fig.1 Waveform at cosine function reference sampling point

其次，需要計(jì)算出弧度落在基準(zhǔn)查找表的哪個(gè)區(qū)間及在區(qū)間中的偏移位置。將式(1)中的弧度除以基準(zhǔn)表最小步長(zhǎng)2π/1 024，得到式(2)。

(2)

另外，為采用定點(diǎn)數(shù)處理，將兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間的步長(zhǎng)均分為1 024等份，即將式(2)分子分母均乘以1 024得到式(3)。

k=0,1,2,…。

(3)

k=0,1,2,…。

(4)

計(jì)算式(4)所得商即為基準(zhǔn)查找表的左區(qū)間序號(hào)，商加1即為基準(zhǔn)查找表的右區(qū)間序號(hào)，余數(shù)為區(qū)間內(nèi)的相對(duì)偏移位置。

令n為式(4)的商，r為式(4)的余數(shù)，由于余弦函數(shù)為周期性函數(shù)，且基準(zhǔn)查找表只記錄1個(gè)周波的數(shù)值(分為1 024個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn))，因此需要對(duì)n進(jìn)行求模運(yùn)算，令n′=n%1 024，則離散值插值區(qū)間為[n′,n′+1]。

根據(jù)以上計(jì)算可獲知余弦函數(shù)離散值對(duì)應(yīng)的插值區(qū)間和插值偏移位置，采用一階線(xiàn)性插值算法再乘以幅值A(chǔ)，可計(jì)算出余弦函數(shù)離散值

(5)

3 算法實(shí)現(xiàn)

由以上算法推演過(guò)程可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)諧波輸出需要配置4個(gè)參數(shù)，分別為采樣率s(單位Hz)、頻率f′(單位Hz/1 024，如：頻率50.01 Hz表示為51 210)、初相角φ′(單位π/1 024，如：初相角1.5 π表示為1 536)和幅值A(chǔ)?？稍贔PGA內(nèi)部維護(hù)多組配置信息，分別計(jì)算出相應(yīng)的諧波分量，相加后可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)諧波分量疊加信號(hào)輸出。

為了提高FPGA運(yùn)算速度和簡(jiǎn)化FPGA運(yùn)算邏輯，上述運(yùn)算過(guò)程盡量避免除法運(yùn)算而采用移位來(lái)實(shí)現(xiàn)。式(4)求商運(yùn)算可簡(jiǎn)化為右移10位實(shí)現(xiàn)，求余數(shù)運(yùn)算可簡(jiǎn)化為取數(shù)值低10位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)；同理，對(duì)n進(jìn)行求模運(yùn)算也可簡(jiǎn)化為取數(shù)值低10位數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要注意，式(4)中1 024f′/s無(wú)法避免除法運(yùn)算，但該數(shù)值只與配置項(xiàng)有關(guān)，因此，只需在初始時(shí)刻和配置項(xiàng)改變時(shí)刻計(jì)算一次，后期無(wú)需重復(fù)計(jì)算。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)余弦函數(shù)離散值生成器的計(jì)算流程如圖2所示。

4 算法精度分析

查表插值算法中采用了一階線(xiàn)性插值，由此會(huì)引進(jìn)誤差，如圖3所示。

由拉格朗日插值多項(xiàng)式插值余項(xiàng)可知，一階線(xiàn)性插值誤差為

R1(x)=f(x)-L1(x)=

ξ∈(xn,xn+1) 。

(6)

圖4 算法驗(yàn)證波形Fig.4 Algorithm validation waveform

圖2 余弦函數(shù)離散值生成器計(jì)算流程Fig.2 Computational flow of cosine function discrete value generator

圖3 插值誤差示意Fig.3 Schematic of interpolation error

由于式(6)是一個(gè)誤差區(qū)間，不方便誤差估算，因此采用最大誤差進(jìn)行估算。

可見(jiàn)，算法精度很高，且算法精度不受諧波頻率的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了目前智能電網(wǎng)對(duì)信號(hào)發(fā)生測(cè)試裝置精度的要求。

5 算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證算法的正確性，在Xilinx公司的Artix7芯片上進(jìn)行了板級(jí)驗(yàn)證，通過(guò)調(diào)用Vivado的Debug調(diào)試工具，將關(guān)鍵信號(hào)添加到信號(hào)觀(guān)察窗口，以判斷算法是否執(zhí)行正確，如圖4所示。

該驗(yàn)證程序占用 331 Flip-Flop (觸發(fā)器)、152LUT(查找表)、2 048字節(jié)Block-RAM、6 DSP48。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為125 MHz，每11個(gè)時(shí)鐘周期(即88 ns)完成一次離散值計(jì)算。

可見(jiàn)，實(shí)際測(cè)試中本文提出的算法是正確可行的，具有占用FPGA資源少、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 余弦函數(shù)離散值幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristic of cosine function discrete value

6 結(jié)論

本文提出了基于查找表與拉格朗日插值的用于實(shí)現(xiàn)余弦函數(shù)離散值的方法，該方法結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，具有占用FPGA資源少、響應(yīng)速度快、精度高、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿(mǎn)足智能電網(wǎng)繼電保護(hù)測(cè)試儀的功能需求。