基于LMS自适应算法的电力载波高速数据采集模块的研究

广东省输变电工程公司 刘积鸿

基于LMS自适应算法的电力载波高速数据采集模块的研究

广东省输变电工程公司 刘积鸿

本论文旨在研究一种新式电力载波数据采集模块，该模块用于解决电力载波测量过程中的电压、电流、温度等实时数据的传输瓶颈问题。本文在分析自适应LMS算法结构的基础上，以FPGA为控制核心，采用一种基于流水线操作和并行结构的自适应LMS算法的设计，完成采集模块的硬件层高速数据传输。本文最后用Hspice仿真工具对硬件电路进行了仿真，仿真结果表明，实时检测数据的传输延时小于2ms，可以很好的满足载波测量过程的信号预处理需求，同时保证了系统控制的灵活性。

LMS算法；并行流水线；verilog-XL功能时序；Hspice仿真

1.引言

本论文旨在研究一款新式电力载波数据采集模块，用于解决传统模块的数据传输速率受限问题。采集模块以Alter公司的EP2C35系列的FPGA为核心，进行基于LMS自适应算法的研究和设计工作，整个采集模块分为存储模块、权值计算模块、调整误差计算模块和总控制模块4部分，实现对采集过程中的电压、电流、温度等实时数据的高速传输，仿真表明：该采集模块可以很好的满足对信号预处理数据传输的需要，可实现对电力设备的运行环境进行综合分析。

在高速数字信号采集、处理领域，现场可编程逻辑器件(FPGA)处理器起着越来越重要的作用，作为算法实现的硬件基础和实时性保证，目前FPGA技术的高速发展，已具备了在一FPGA芯片中嵌入整个或大部分数字系统的条件。自适应数据采集（Adaptive Data Acquisition）主要研究一类结构可变的数据采集方法，可以通过自身与外界环境的接触来改善数据采集的性能，以达到理想的数据采集速度和精度。

本文依据数据采集模块的实现原理，运用Cadence的设计软件，设计了一款性能、时序、功耗整体符合设计要求的采集模块。首先配置了一个具有NIOSⅡ软核处理器、存储器、通用I/O口、定时器和通讯接口，组成一个片上采集Soc系统模块。基于LMS自适应硬件算法均使用原理图输入与Verilog HDL语言描述相结合的方式来实现，总体设计采用以Avalon交换架构为主线，从顶端到底层逐步细化，先模块后整体的方法进行，并用Hspice仿真工具对具体的硬件电路进行了仿真。本文在一块FPGA核心基片中实现嵌入式处理器、存储器、传感器控制模块、通用外设和复杂控制算法等集成，使得电路板面积得以大大缩小。

2.LMS算法结构分析

自适应滤波的研究始于20世纪50年代末，Hoff最早提出了最小均方(LMS)算法。LMS算法的结构简单，计算量不大，且易于在硬件处理器中实现。LMS算法的权值估计的过程为：估计二次型表面关于权值的梯度，将权值沿梯度减小的方向移动一小步。每移动一小步的固定数值我们称之为步长，我们将移动的步长取到无限小，就可以得到零误差的近似解。

LMS算法即最小均方算法，它不是取的短项平均值的差来作为均方误差 的梯度估计值，而是简单的取 本身作为 的估值。因此该算法的计算量小，易于实时实现。

自适应最小均方算法的原理如下：

(1)式中YK为系统的当前输出值。

(2)式中dk为设定输出，是系统的理想输出； 为调整误差，用它来实现权值的调整；Wk为可调权向量，Wk={w0，w1，w2，…，wL}；Xk为输入样本向量，Xk={X0，X1，X2，…，XL}；L为权值。在自适应过程的每次迭代时，LMs算法有如下的梯度估值的形式：

由权值迭代的原始公式及式(3)可以推导出形如式(4)LMS算法的权值迭代公式：

式中µ为步长，用于控制稳定性的增益。在保证权值收敛的取值范围内，µ值越大自适应的速度越快，但会产生相应的大超调。我们对于µ值大小的选取，以系统的实际需求为准。

LMS算法的计算过程：

如图l所示，LMS算法的执行过程如下：(1)输入XK与权值WK的各分量，将其对应相乘并累加求和得到实际输出YK；(2)将实际输出YK与期望输出DK相减，计算出调整误差εk；(3)调整误差εk与步长的2倍即2µ相乘，得到一个中间结果A；(4)中间结果A再与输入XK相乘又得到一个中间结果B；(5)中间结果B是一个向量，它与原来的权值的每一个分量对应相加，从而得到新的权值向量。(6)把新的权值向量再与新的输入向量组合进行(1)到(5)步骤的操作，如此循环下去直至求出自适应结果。当权值数较多时，用流水线操作并行结构设计的方法实现FPGA主控器和多个实时检测数据的通讯。

3.基于LMS算法的采集模块实现

根据LMS算法的计算过程及易于在硬件中实现性，我们把步骤(1)、(2)合并在一个模块中，定义为调整误差计算模块；把步骤(3)～(5)进行组合成另一个模块，定义为权值计算模块；为了能在FPGA芯片上实现LMS算法，还需要权值存储器和输入信号存储器来达到权值和输入信号的时分复用的效果。权值存储模块由权值存储器和输入信号存储器组成。图2表示了系统的基本结构。

图1 LMS算法的实现原理框图

图2 基于LMS算法的FPGA的各个组成模块

图3 调整误差计算模块的控制码时序

图4 端口电路的Hspice功能仿真

图5 端口硬件的自适应滤波仿真

3.1 总控制模块

总控制模块是该系统的核心模块，该模块的主要功能有：(1)初始化各模块；(2)产生控制信号，控制每个模块完成其的功能；(3)协调各个模块的操作，使FPGA内部数据采集、传输以流水线方式工作。

FPGA总控制模块的实现电路有两种形式：一种是微程序(微代码)控制单元；另一种是外部传感器的数据总线连线实现的控制单元，即硬件线式的控制单元。本文在此采用的是第一种形式的微程序控制单元，通过产生控制码来实现对系统的控制。

3.2 调整误差计算模块

该模块的逻辑单元用硬件描述语言可以很方便地实现。该模块的功能是：(1)计算系统的输出结果；(2)计算调整误差，用来进行权值的调整。图3所示为误差计算模块的控制码组的时序仿真波形。在图3中，在C[7..O]=00000000时，初始化整个模块；C[7..O]=01000000时至01llllll时，从输入信号模块与权值存储模块读取数值，并进行运算，寄存器的输入为加法器的输出实现累加；当C[7..O]=10000000时，将硬件输出状态记录并保存，寄存器清零。

3.3 权值计算模块

该模块的时序逻辑控制也采用控制码的方法实现，以一个乘法器和一个寄存器的组合的形式实现系数调整单元。乘法器的一个输入端是常数，即步长µ。通过改变这个输入端的值可以实现不同的步长，以满足不同的收敛速度和失调。寄存器的作用是进行合理的舍位处理，以免位长过长，影响后面的计算。另外，乘法器和存储模块的乘法器时分复用，在不影响实时性的情况下可以提高资源利用率。

3.4 存储模块

EP2C35系列FPGA存储模块有输入信号存储器和权值存储器两部分组成。同时采用两组存储器有利于采用流水线的操作方式，这样可以使读操作和写操作独立进行。

4.Hspice硬件仿真

4.1 多数据采集信号的功能仿真

利用硬件描述语言进行功能仿真时，由于涉及到多个外部数信号的采集，在此把采集方式设定为：上升沿、下降沿、多边沿以及直线和反相器等几种信号的实时采集。对应不同的触发脉冲，图4给出了上升沿、下降沿触发和双沿触发的输出仿真图形。

在前三个时钟周期，在OUTCLK上升沿到来时，将从CLB-SEL1所采集的信号输送到Verilog-Out处，控制信号O-SEL1，O-SEL2，O-SEL3，O-SEL4电平的设置分别为1，O，1，O；在第四到第六个时钟周期之间，即在时钟信号的上升沿和下降沿都会将从CLB-SELl采集到的信号送到输出端Verilog-Out，这时控制端O-SEL1，O-SEL2，O-SEL3，O-SEL4分别设置为O，O，0，0，这时与其他控制项的设置无关，即直接将输出信号通过最后的选择器。

对于端口硬件的自适应滤波仿真如图5所示，在8位权值的自适应横向滤波仿真器中，滤除上升沿、下降沿、双沿以及正弦信号的系统躁声。在权值的初始值全为0时，采集权值的位长为16位，精度为13位。从图5（左）可见，采集数据收敛速度比、较慢。当权值的初始值为1，O跳变时，收敛速度教快，图5（右）可见。由此，可以验证基于LMS算法正确，采集的精度和准确级达到设计要求。

5.结束语

本文分析了基于EP2C35系列FPGA的高速数据采集模块实现，并进行了LMS算法仿真，结果证明该方案是可行的。该模块用于新式电力载波测量过程的高速数据采集，以实现采集过程中的电压、电流、温度等实时数据的高速传输，仿真验证该模块达到将采集波形快速收敛的效果。在该系统的设计中，采用模块化设计可以方便的调整设计中的错误，并易于升级和更新。采用流水线的操作方式提高了自适应的收敛速度，较好的满足实时性要求。在权值较多的时候，可以采用并行结构处理的方法满足实时性要求，通过误差系数调整单元实现不同的收敛步长，从而达到符合系统要求的收敛速度和精度。

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刘积鸿（1988－），大学本科，助理工程师，现供职于广东省输变电工程公司，主要研究方向：变电站建设、测控保护、智能电网。