基于FPGA平台矿用馈电开关智能保护器的设计与研

摘　要：本文介绍了基于FPGA平台矿用馈电开关智能保护器的基本原理，描述了短路保护、漏电保护、过载保护等智能保护措施的设计方法和实现过程。

关键词：FPGA；智能保护；A/D转换
一 、前言
　　在含有大量煤尘、瓦斯等危险因素的煤矿井下环境中，配电系统运行与保护的智能化是煤矿井下配电系统的发展趋势，关乎着煤矿企业的设备、财产和员工人身安全。所以，当前矿用智能保护器越来越多的受到了企业的重视并且得到了较为普遍的应用。矿用智能保护器应该具备保护控制、状态显示、联机通信、突发故障记录及查询等功能，能对电压、电流等进行实时采样，并以此来判断电路系统的工作状态，从而决定各种保护控制装置的动作。且能将当前状态进行实时显示、传输到上位机，同时通过各种声光手段给出各种控制和故障信号。
二、基于FPGA平台矿用馈电智能保护器的硬件设计
　　1、XILINX  FPGA介绍
　　FPGA是可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）的简称。一般采用查找表结构，器件具有下列优点：高密度、高速度、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本，设计灵活方便，并可反复编程。本设计采用的是低成本、容量中等、性能可靠的Spartan3系列FPGA。
　　2、馈电开关智能保护器的硬件结构图（图1）
　　
　　                  图1 硬件结构图
　　（1）、FPGA控制TLC1549进行采样。电压、电流经过相应的传感器将其传入到信号调理电路进行调理，然后送A/D电路进行模数转换。TLC1549是10位开关电容逐次逼近模数转换器，具有采样-保持是功能。TLC1549采用串行口进行数据交换，加之外部输入的差分高阻抗的基准电压，使之具有转换速度较快、抗干扰能力强等特点。
　　（2）、FPGA采用状态机控制整个工作过程，并在FPGA内部构建了DSP进行数值运算。其特点是速度快、精度高、实现简单，完全能够满足智能保护器的实时要求。
　　（3）、FPGA的引脚可根据需求定义，非常简便的与键盘及LCD、光藕等连接并对其进行控制，系统操作更人性化。
三、基于FPGA平台矿用馈电智能保护器的软件设计
　　系统整体工作过程采用FPGA 中常用的状态机进行控制，在这里着重介绍FPGA控制TLC1549模块的实现。用硬件描述语言采用Verilog HDL，其特点在于易于理解、易于维护、调试电路速度快。同时有许多易于掌握的仿真、综合和布局布线的工具，能用来做逻辑设计的布线前和布线后仿真，验证功能是否正确。限于篇幅，下面给出部分模块的Verilog HDL程序：
　　always@(posedge rs_clk)
　　begin 
　　  if(set_r==1'b0)
　　  begin
　　  case(state_w)
　　        s_idle:
　　    begin
　　      zima_we_w<=1'b1;
　　    rx_doutmp<=0;
　　    dcnt<=0;
　　    rx_ready<=1;
　　    if(cnt==4'b1111)
　　    begin   
　　    ……………………….
四、FPGA的仿真与测试
　　以下是系统软件仿真的部分截图（图2  系统仿真），通过仿真可以发现系统能够完成相应功能，满足时许要求、性能稳定。

                      图2 系统仿真
结束语
　　基于FPGA平台矿用馈电智能保护器的设计充分发挥了XILINX FPGA的平台优势，无需太多外围逻辑器件便可轻松的构建硬件平台。克服了传统以单片机为核心的保护器运算能力不足、电路结构复杂等弊端。系统采用工业级FPGA平台，同时采用LCD液晶屏显示、键盘输入、485通讯等技术，增强了系统的稳定性、可靠性，使用灵活方便并具有较高的性价比。
参考文献：
　　[1] 姚远，李辰《FPGA应用开发入门与典型实例?》人民邮电出版社,2010
　　[2] 于群,曹娜《电力系统微机继电保护》机械工业出版社,2010