（ 1 ） ARM+DSP 架构兼备系统控制以及数据处理功能，其中 ARM 承担任 务分配而 DSP 分担数据计算处理，但该系统扩展能力差，后续如想添加新功能
只能更换芯片较为麻烦。
（ 2 ） DSP+FPGA 架构中 FPGA 承担数据采集和通信控制的功能， DSP 负责
算法运算。但任务管理能力差，对于功能繁多的任务来说显然是有所欠缺。
（ 3 ） ARM+FPGA 架构具备系统控制以及数据处理功能，相较于 DSP 串行
处理数据的方式， FPGA 的并行处理在进行数据加速、实时性高的情景下更有优
势。
除上述架构外还有 ARM+DSP+FPGA 架构，该架构优势在于融合多种类型
处理器，提供更完善的功能和更强大的性能，但系统复杂度大幅增加，开发难度
和维护性更高，需要大量人力和物力投入，增加了系统的开发和维护成本。此外，
该架构的优化和调试更具挑战性，需要深入研究不同处理器之间的通信和数据交
换等问题。因此，在选择处理器架构时，需要考虑任务的性质、规模、预算和人
力资源等多方面因素，并在系统性能、复杂度和成本之间进行平衡。所以该架构
不在本次设计考虑范围。
综合考虑各种架构的优缺点以及结合实际开发时的内外在因素，选择基于
FPGA+ARM 架构实现电能质量分析系统设计。 ARM 架构满足三相电力系统电
能质量检测时的任务控制分配，包括三相电压（流）的六通道信号的采集、传输
和处理，并可在后期进行相应的扩展。 FPGA 架构通过对多通道数据并行处理技
术的应用，能够有效降低数据处理时间，实现对实时性要求的满足。
3.2.2 芯片选型
作为整个系统的核心控制组成部分， ARM 主控核心扮演着极其重要的角色。
在当今市场上众多微处理器种类层出不穷的情况下，选型一款合适的主控核心时
应考虑性能、资源以及配套设施是否完善。包括开发工具、学习资源和实施案例
等方面，在保证系统设计的可靠性和稳定性方面具有重要意义。通过对市场主流
控制芯片的对比分析选型为 STM32F407ZGT6 芯片作为 ARM 端的主控核心。
在 FPGA 芯片选型选择 Xilinx 公司 Spartan-6 系列的 XC6SLX16 芯片作为设
计的目标芯片，并使用 ISE14.7 作为系统工具进行程序设计，采用 Mentor 公司
的 ModelSim 进行仿真功能验证。
3.2.3 硬件架构系统设计
硬件架构设计图如图 3-1 所示。
本系统由前端信号采集预处理模块、基于 FPGA 的数据处理模块和基于
ARM 的人机交互与显示模块构成。
采集预处理模块将电力信号通过调理后转换成适合 ADC 的采样信号，并滤
除所需频率外的高频信号以及保留被测信号的各种信息，承担系统的核心检测工
作，对电能质量参数检测结果的精准性起到了决定性的作用。
基于 FPGA 的数据处理模块包括全数字锁相环模块、主控制模块， ADC 控
制以及算法等主要模块。其中，主控制器模块负责各模块参数的配置、数据交换
处理等任务，通过与其他模块的协调工作，保证电能质量分析系统的高效有序运
行。
基于 ARM 的人机交互模块是电能质量分析系统的控制部分，集成了 FSMC
控制器模块、配置控制器模块以及通信和存储模块，在系统中起到 “ 大脑 ” 的作用。
其中 FSMC 是 ARM 和 FPGA 通信总线； ARM 通过配置控制器模块对 FPGA 进
行相应的初始化配置。
3.3 数据采集预处理电路
电力系统中的电力信号通常是高电压、大电流且存在瞬态事件，因此并不能
直接对其进行数据采集转换，在数据采集时，必须确保仪器具有耐高压的能力，
并在保证使用者自身安全的前提下保证所采集数据的信息完整性。
电力信号的高精度采集依赖于精准可靠的信号采集预处理模块。该模块包括
采集电路、抗混叠滤波电路、同步采样锁相倍频电路、单端转差分电路以及
AD7609 模数转换电路。其中抗混叠滤波电路能有效消除目标信号外的高频干扰
信号，提高采样信号的稳定性和精度；锁相倍频电路可实现信号的精确实时同步，
使得 AD 的采样频率是信号频率的整周期倍，保证采样数据的一致性和准确性；
单端转差分电路可增强信号的抗干扰能力； AD 模数转换电路将采集到的电力信
号转换为离散数字信号。
本设计是对三相电压和三相电流的六通道信号进行检测，因电压电流预处理
步骤相似，本章仅对电压信号采集模块进行介绍。电压信号采集处理模块结构图
如下图 3-2 所示。 
电力信号采样方式有以下两种方式：
（ 1 ）直流采样：将采集的交流信号不间断的转换成直流信号且与原始信号
保持线性关系，并转换成离散的数字信号。在此过程具有整流和滤波的功能，使
得直流采样具备了很强的抗干扰能力。但实时性不强且对原始信号无法直观观察。
（ 2 ）交流采样 [47] ：使用互感器对原始交流信号进行采集，并对互感器副边
的交流信号进行采样。优点是采样的信号是与原始信号的频率相同、幅值具有一
定的比例关系的交流信号，具有实时性强且客观的反映出原始信号的波形。
本设计采用的是交流采样的方式对电力信号进行采集，此种方法可以保留原
始信号的波形相位等信息且失真较小。
3.6ARM 控制系统设计
ARM 为本系统的控制核心，负责整个系统的协调工作，完成与 FPGA 的数
据传输以及数据存储等。ARM 模块结构框图如图 3-16 所示。
3.5.1 FSMC 接口模块
FSMC 全称为可变静态存储控制器，是 ARM 内嵌的高性能、可靠性的存储
器控制器。该控制器能够连接多种类型的静态存储器，如 SRAM、NOR Flash、
PSRAM 等，并提供高速数据传输和灵活的访问方式，以满足各种嵌入式系统的
需求。FSMC 支持多种数据总线宽度和存储器大小，同时具有多种访问模式和时
序控制功能，以适应不同类型的存储器和应用场景。相对于 EMI 控制器，FSMC
在连接大容量存储器、支持更多的存储器类型、提供更丰富的控制功能和更高的
性能方面更有优势。与 FMC 相比，FSMC 提供更高的数据传输速度和更灵活的
存储器配置方式，同时还具有更高的可靠性和稳定性[54]。因此，本设计采用 FSMC
总线实现 FPGA 与 ARM 的数据通信与传输。
FSMC 将外部静态存储器划分为四个容量相同为 64M 的存储区域，本设计
使用 Bank1 中的 NOR 控制器管理内存。FSMC 存储区域，如图 3-17 所示。
如上图所示，FPGA 与 ARM 通过 FSMC 通信总线连接，通过控制该区域中
FSMC_NE1 的片选信号状态来控制双核的通信以及数据传输；FSMC_NOE 和
FSMC_NEW 是读写控制信号，FSMC_NBL[0：1] 是用于 FPGA 向 STM32 发送
请求中断信号。
3.5.2 数据通信与存储模块
STM32 中 UART 串口仅支持传统的串口通信协议，如 RS-232 或 RS-485 协
议，因此无法直接与上位机进行通信,为实现 STM32 与上位机的通信和控制，需
使用 USB 转串口电路将 UART 串口信号转换为 USB 信号进行传输。USB 转串
口原理图如图 3-19 所示。
