一种低功耗异步FFT在线条件触发设计方法与流程

一种低功耗异步fft在线条件触发设计方法
技术领域
1.本发明属于电力系统电能质量检测领域，具体涉及一种低功耗异步fft在线条件触发设计方法。


背景技术：

2.谐波的危害十分严重，它降低电能生产、传输和利用效率，缩短设备使用寿命，严重时还会导致设备故障或损坏，故有必要对谐波进行治理，而谐波检测则是治理的基础，为后续谐波治理提供理论支撑。快速傅里叶变换(fft)是离散傅里叶变换(dft)的一种快速算法，其计算量小，在电能质量检测、通信等领域有着广泛的应用，其能很好地解决电压谐波检测问题。但电压谐波信号处理有较高的实时性需求，这要求fft采用硬件电路，以实现高速计算。尽管fft算法复杂度的较低，但在实际应用中一般采用大点数fft，其计算量仍非常大，传统处理器一般采用大量复数加法和乘法为fft运算基础单元，其计算效率低、耗时长、功耗大，无法很好地对信号进行实时性分析，并且资源浪费严重。
3.为满足电能信号处理的实时性和低功耗需求，有必要研究高效低功耗的快速傅里叶变换硬件电路。cordic是一种简单的移位和添加计算算法，其可以实时计算旋转因子以代替存储旋转因子的方式，大量降低因存储海量旋转因子导致的存储资源消耗和电能消耗。此外，基于cordic的vlsi架构可替代用于各种dsp算法的传统乘法和加法硬件，在复杂运算中具有广阔前景。但目前采用cordic算法的fft电路大多基于同步控制，其受限于系统时钟，时延长，功耗高。因此亟需研究一种低功耗异步fft在线条件触发设计方法。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种低功耗异步fft在线条件触发设计方法，具体技术方案如下：
5.一种低功耗异步fft在线条件触发设计方法，包括以下步骤：
6.步骤s1，对电压信号进行采样得到三相电压ua、ub、uc；
7.步骤s2，对三相电压ua、ub、uc进行dq变换得到d轴的电压ud和q轴的电压uq；
8.步骤s3，对ud和uq进行高通滤波得到滤波后的d轴的电压u
dh
和滤波后的q轴的电压u
qh
；
9.步骤s4，对滤波后的d轴的电压u
dh
和滤波后的q轴的电压u
qh
进行rms运算，得到d轴的电压有效值u
dhr
和q轴的电压有效值u
qhr
，再计算得到得总谐波有效值u
rms
；
10.步骤s5，将有效值u
rms
和参考值u
ref
对比获得sk开关信号；
11.步骤s6，根据sk取值决定是否触发fft硬件算法。
12.优选地，所述步骤s2中的d轴的电压ud和q轴的电压uq的计算方式如下：
13.[ud,uq]
t
＝c[u
a u
b uc]
t
；
[0014]
式中变换因子矢量为：
[0015][0016]
式中θ为锁相环得到的同步相角。
[0017]
优选地，所述步骤s3中高通滤波仅滤除ud和uq中的直流分量采用如下公式获得：
[0018][0019]
式中，λ为滤波系数，ud(n)、uq(n)、u
dh
(n)、u
qh
(n)等为当前采样周期电压值，ud(n-1)、uq(n-1)、u
dh
(n-1)、u
qh
(n-1)为前一采样周期电压值。
[0020]
优选地，所述步骤s4中总谐波有效值u
rms
采用如下公式获得：
[0021][0022]
优选地，所述步骤s5具体包括：当u
rms
》u
ref
时，判定此时谐波含量高，比较器输出信号sk为1；当u
rms
≤u
ref
，则此时谐波含量低，比较器输出信号sk为0。
[0023]
优选地，所述步骤s6具体包括当sk为1时，触发fft硬件算法，当sk为0，fft硬件算法不启动。
[0024]
优选地，所述fft硬件算法采用fft硬件电路实现。
[0025]
优选地，所述fft硬件电路包括数据存储单元、控制器单元、fft运算单元和cordic电路单元；所述控制器单元分别与数据存储单元、fft运算单元、cordic电路单元连接；所述fft运算单元分别与数据存储单元、cordic电路单元连接。
[0026]
优选地，所述fft硬件电路采用准延迟不敏感异步设计，各单元异步运行。优选地，所述cordic电路单元采用异步cordic算法实现，具体如下：
[0027][0028]
式中x和y变量是在复平面中旋转的坐标；变量z是剩余角和旋转方向，d是z的方向，d＝
±
1。
[0029]
本发明的有益效果为：本发明针对电网电压谐波检测的实时性和低功耗需求，提出了一种低功耗异步fft在线条件触发设计方法，当谐波含量高时触发fft硬件电路对谐波进行fft分析，谐波含量低时则只检测总谐波有效值，实现电压谐波的在线监测，大大减少了fft硬件电路功耗；同时，fft硬件电路采用实值异步fft算法，实值fft算法输出具有共轭特性，其降低了fft的复杂性和计算量，异步fft使所有子系统仅按其需要运行的速度运行，实现了低功耗；此外，结合异步cordic算法，通过实时计算旋转因子可大量减少储存旋转因子导致的资源消耗，同时可实现复数与复指数的旋转乘法，简化乘法运算。本发明降低了fft的硬件功耗和计算量，具有功耗低、复杂性低和存储空间占用少的优点。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0031]
图1为本发明的硬件电路流程图；
[0032]
图2为fft硬件电路架构图；
[0033]
图3为本发明的8点实值fft蝶形运算架构图。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0036]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0037]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0038]
针对电网电压谐波检测的实时性和低功耗需求，本实施例提供了一种低功耗异步fft在线条件触发设计方法，利用park变换将电压基波转换为直流分量再滤除，再对dq变换后的谐波求取总谐波有效值，当总谐波有效值大于一定值时，判定此时电压波形谐波较多，开启fft检测。fft电路采用实值异步fft算法，实值fft算法输出具有共轭特性，其降低了fft的复杂性和计算量，异步fft使所有子系统仅按其需要运行的速度运行，实现了低功耗；同时结合异步cordic算法，通过实时计算旋转因子可大量减少储存旋转因子导致的资源消耗，同时可实现复数与复指数的旋转乘法，简化乘法运算。算法复杂性的降低以及复数乘法的简化，不仅降低了运行功耗，也提升了算法运行速度，减少了时延，有利于实现电网电压谐波检测的实时性和低功耗。如图1所示，本发明具体实施方式提供的一种低功耗异步fft在线条件触发设计方法，包括以下步骤：步骤s1，对电压信号进行采样得到三相电压ua、ub、uc。
[0039]
步骤s2，对三相电压ua、ub、uc进行dq变换得到d轴的电压ud和q轴的电压uq；d轴的电压ud和q轴的电压uq的计算方式如下：
[0040]
[ud,uq]
t
＝c[u
a u
b uc]
t
；
[0041]
式中变换因子矢量为：
[0042][0043]
式中θ为锁相环得到的同步相角。
[0044]
步骤s3，对ud和uq进行高通滤波得到滤波后的d轴的电压u
dh
和滤波后的q轴的电压u
qh
；高通滤波仅滤除ud和uq中的直流分量采用如下公式获得：
[0045][0046]
式中，λ为滤波系数，ud(n)、uq(n)、u
dh
(n)、u
qh
(n)等为当前采样周期电压值，ud(n-1)、uq(n-1)、u
dh
(n-1)、u
qh
(n-1)为前一采样周期电压值。
[0047]
步骤s4，对滤波后的d轴的电压u
dh
和滤波后的q轴的电压u
qh
进行rms运算，得到d轴的电压有效值u
dhr
和q轴的电压有效值u
qhr
，再计算得到得总谐波有效值u
rms
；总谐波有效值u
rms
采用如下公式获得：
[0048][0049]
步骤s5，将有效值u
rms
和参考值u
ref
对比获得sk开关信号；具体包括：当u
rms
》u
ref
时，判定此时谐波含量高，比较器输出信号sk为1；当u
rms
≤u
ref
，则此时谐波含量低，比较器输出信号sk为0。
[0050]
步骤s6，根据sk取值决定是否触发fft硬件算法，当sk为1时，触发fft硬件算法，当sk为0，fft硬件算法不启动。fft硬件算法采用fft硬件电路实现。
[0051]
如图2所示，所述fft硬件电路包括数据存储单元、控制器单元、fft运算单元和cordic电路单元；所述控制器单元分别与数据存储单元、fft运算单元、cordic电路单元连接；所述fft运算单元分别与数据存储单元、cordic电路单元连接。fft硬件电路采用准延迟不敏感异步设计，各单元异步运行。
[0052]
所述cordic电路单元采用异步cordic算法实现，具体如下：
[0053][0054]
式中x和y变量是在复平面中旋转的坐标；变量z是剩余角和旋转方向，d是z的方向，d＝
±
1。
[0055]
本发明实施例的8点实值fft蝶形运算架构图，该图以8点fft为例，其只需要计算5个输出，另外3个输出x(5)、x(6)、x(7)分别与x(3)、x(2)、x(1)共轭，类推到n点实值fft运算，只需要计算前(n/2 1)个输出，其余输出x(i)分别与x(n-i)共轭。
[0056]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0057]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0058]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。