基于ZYNQ 的高速数据采集系统设计

张雪皎，陈剑云

（华东交通大学电气与自动化工程学院，江西 南昌330013）

随着电网中非线性负荷用户的不断增加，电能质量问题日益严重。 高精度数据采集系统能够为电能质量分析提供准确的数据支持，是解决电能质量问题的关键依据。 通过对比现有高速采集系统的设计方案，主控电路多以ARM 微控制器搭配AD 转换芯片、ARM+DSP 搭配转换芯片以及FPGA+DSP 搭配AD 转换芯片的架构方式[1-5]。 ARM 有着良好的决策控制特性，在工业控制领域被广泛应用，但其数据处理速度慢，不能满足系统的实时性。 由于DSP 的串行指令流特性，复杂数据处理只能在低速系统中进行。 FPGA 的全可编程和并行数据处理特性使其在数字信号处理领域越来越受到青睐，但是对系统的决策能力较弱[6-10]。 同时，ARM 和DSP，FPGA 与DSP 之间通过低速工业通信接口(SPI、Mcbsp 等)或者采用处理器外部总线接口连接多芯片的结构，复杂化了板级电路设计，芯片间频繁通信难以保证系统的稳定性[11-12]。

对此，设计一种基于ZYNQ 的数据采集系统，ZYNQ SOC 整合了ARM 双核cortext-A9 处理器和Xilinx7系列FPGA 架构。 片内集成高度定制的AXI 互联和接口形成两个部分之间桥梁，加速了各模块间的通信且加强了系统的稳定性。利用FPGA 的硬件可编程特性设计出与高速AD 连接的接口控制器，调用AXI_DMA官方硬核IP 可直接将采集数据搬运至ARM 的DDR 中进行存储。 ARM 驱动串口或者HDIM 口完成数据显示，执行系统的整体决策。 经过对某变电所电能质量分析，发现稳态下电网高次谐波为60 次左右，系统选用的AD7606 采集卡采样频率为200 kHz，8 通道同步采集，分辨率为16 位，采集精度和速度都能满足数据采集系统设计要求，实现信号的模数转换。……