一種基于fpga和dsp的高精度數字電源數據采集系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及數據采集技術領域，尤其涉及一種基于FPGA和DSP的高精度數字電源 數據采集系統。
【背景技術】
[0002] 對于一個簡單的、固定功能的應用，模擬電源管理可能保持較大的成本競爭力。但 是，對于要求靈活性或者通信功能較復雜的1C，數字電源不僅具有低成本競爭力，而且在許 多情況下可能是唯一的選擇。數字電源管理一般包括電源控制和數字信號處理。而數據采 集的精度和速度在數字電源管理中起著關鍵作用。目前在國內，采用基于FPGA+DSP經典組 合的數據采集系統對數字電源進行管理還是比較少見的。
【發明內容】
[0003] 本發明的基于FPGA和DSP的高精度數字電源數據采集系統，利用FPGA可靈活編 程配置和DSP處理數據快的優點，實現了一種數字化電源中的高精度數據采集系統。
[0004] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種基于FPGA和DSP的高精度數 字電源數據采集系統，包括調理電路、AD轉換器、FPGA芯片、SignalTap邏輯分析儀、DSP芯 片、PWM輸出和JTAG仿真接口，所述調理電路與AD轉換器相連，所述AD轉換器和SignalTap 邏輯分析儀分別與FPGA芯片相連，所述FPGA芯片、PWM輸出和JTAG仿真接口分別與DSP芯 片相連。
[0005] 優選地，所述DSP芯片采用TMS320LF2407芯片。
[0006] 優選地，所述AD轉換器采用TI公司的TLV2543。
[0007] 優選地，所述FPGA芯片采用Altern的Cyclone系列的EP1C3T144C8。
[0008] 本發明利用FPGA可靈活編程配置和DSP處理數據快的優點，實現了一種數字化電 源中的高精度數據采集系統。其系統前端采用差分電路實現了信號的高精度調理，核心部 分則采用FPGA和DSP數字電路，從而有效防止了干擾，這是模擬系統無法達到的。目前， 隨著數字電路的發展，在很多應用領域，模擬電源逐漸被數字電源所代替，特別是在很多臺 電源同時協調工作的網絡化電源，就更需要非常穩定可靠的數字化電源。而本設計的數字 化電源的采集系統可以很方便的實現電源管理，特別是網絡化數字電源。因此，這種采用 FPGA+DSP的數據采集系統具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發明系統硬件結構圖；
[0010] 圖2為信號調理電路；
[0011] 圖3為FPGA對AD的控制及FPGA與DSP的通信電路。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合【具體實施方式】對本發明進行詳細的描述。
[0013] -種基于FPGA和DSP的高精度數字電源數據采集系統，包括調理電路、AD轉換器、 FPGA芯片、SignalTap邏輯分析儀、DSP芯片、PWM輸出和JTAG仿真接口，所述調理電路與 AD轉換器相連，所述AD轉換器和SignalTap邏輯分析儀分別與FPGA芯片相連，所述FPGA 芯片、PWM輸出和JTAG仿真接口分別與DSP芯片相連。
[0014] 所述DSP芯片采用TMS320LF2407芯片。
[0015] 所述AD轉換器采用TI公司的TLV2543。
[0016] 所述 FPGA 芯片采用 Altern 的 Cyclone 系列的 EP1C3T144C8。
[0017] 本系統采用基于FPGA+DSP經典組合的數據采集系統對數字電源進行管理的方 法。該方法采用FPGA控制12位的AD轉換器TLV2543來采集數字電源的電壓，同時把采集 到的數據通過SPI接口送給定點DSP芯片TMS320LF2407,再經DSP通過PI調節處理后輸出 PWM波來控制數字電源的穩定性。
[0018] 本系統的硬件總體結構如圖1所示，主要包括調理電路、AD轉換器、FPGA芯片、DSP 芯片（TMS320LF2407)、JTAG仿真接口模塊等。其中調理電路主要是對輸入信號進行濾波和 隔離；AD轉換器部分則由FPGA芯片驅動AD轉換器對電壓進行采集；數據傳輸部分由FPGA 芯片通過DSP芯片的SPI接口把采集到的數據送給DSP芯片；數據處理部分則由DSP芯片 通過PI算法來輸出用于控制數字電源的PWM波形信號。
[0019] 調理電路：不同的數字電源，其信號調理電路也不一樣。本設計主要是對小于5V 的電壓信號進行采集。由于在電壓信號中存在大量的高頻信號干擾，因此，首先要對電壓進 行濾波處理。經典的濾波電路一般由電阻、電感、電容組成。此外，如果信號比較小，還要經 過放大等。本次設計采用差分電路對輸入信號進行調理，以便于AD轉換器對輸入信號的高 精度采集，這也是本設計的優點之一，其具體的調理電路如圖2所示。
[0020] FPGA芯片對AD轉換器的控制：系統中的AD轉換器選用TI公司的TLV2543,其轉 換時間為10微秒，最大采樣頻率為100kHz，它具有11個模擬輸入通道和12位串行輸出。 TLV2543與FPGA芯片的通信需要5個引腳，其中時鐘輸入引腳CLIP由FPGA提供采樣時 鐘，如果片選信號有效，將在CLIP的上升沿發出4位采樣通道控制信號，其中包括2位輸 出位數控制位、1位導向位、1位極性選擇位。其余4個引腳為片選引腳CS，轉換結束引腳 E0C，AD轉換器輸入控制信號引腳INPUT和輸出信號引腳0UTPUT，FPGA芯片則選用Altern 的 Cyclone 系列的 EP1C3T144C8。該 FPGA 芯片內含 1 個 PLL、2910 個 LE、104 個 I/O 口、 59904bit的內部RAM。它們之間的通信關系如圖3所示。
[0021] FPGA芯片與DSP芯片的通信：TMS320LF2407DSP內部帶有一個SPI接口，該DSP芯 片可工作在主動模式和從動模式，當其工作在主動模式時，DSP芯片的SPICLIP引腳用于提 供CLIP，而SPISTE引腳則可作為從控制器件的片選信號引腳。本設計中的DSP芯片工作在 主動模式。由于DSP芯片和FPGA芯片的I/O 口的電壓（3. 3V)相匹配，所以不需要電平轉 換電路。SPISnro引腳負責發送控制信號給FPGA芯片，SPIS0MI引腳則負責接收FPGA芯片 發來的數據。這兩條引腳在SPICLK提供的CLK控制下可以發送或者接收數據。具體通信 連接方式如圖3所示。
[0022] FPGA芯片的控制時序與仿真：FPGA芯片的軟件開發平臺采用Altera公司的 Quartus 116. 0版本，該版本集成有強大的宏單元模塊，設計人員只需調用它們就可以了。 當AD轉換器開始時，其片選SS為高，I/O CLOCK和DATAINPUT被禁止，同時DATA OUT為高 阻抗狀態。S:為低時，系統開始轉換過程，此時I/O CLOCK和DATA INPUT使能，并使DATA OUT端脫離高阻抗狀態，接著FPGA芯片開始發12個時鐘信號，同時在該時鐘控制下發送控 制信號并接收AD轉換器轉換數據。
[0023] DSP芯片中高精度PWM波的產生：通過DSP芯片中的PI算法可使DSP芯片產生PWM 波，該PWM波的產生起著關鍵作用，本次研究就是以如何在DSP芯片上產生高精度的PWM波 為出發點。
[0024] TMS320LF2407中含有兩個事件管理模塊，每一個事件管理模塊可以產生多達8路 的PWM信號（即3個帶可編程死區控制的比較單元產生的3對PWM信號和GP定時器產生的 2個獨立PWM信號）。每一個PWM周期均由相應的16位定時器周期寄存器（TxPER)決定， PWM波的占空比由比較單元寄存器CMPRx決定。當定時器的值達到比較單元寄存器CMPRx 的值時，輸出就會跳變。定時器的時鐘采用系統時鐘（最大可為40MHz)，可以實現高精度的 PWM波的產生，這是本設計的優點之一。本設計還采用2路輸出相位相差180度、周期相同 的PWM波來實現對數字電源的控制。
[0025] 嵌入式邏輯分析儀SignalTap II :用嵌入式邏輯分析儀SignalTap II分析邏輯 參數時，可以不通過10 口實現FPGA芯片對AD轉換器采樣數據的讀取。由于它是內嵌在 FPGA芯片里面的，故可同下載文件一起下載到FPGA芯片中。
[0026] 本發明利用FPGA芯片可靈活編程配置和DSP芯片處理數據快的優點實現了一種 數字化電源中的高精度數據采集系統。其系統前端采用差分電路實現了信號的高精度調 理，核心部分則采用FPGA芯片和DSP芯片數字電路，從而有效防比了干擾，這是模擬系統無 法達到的。目前，隨著數字電路的發展，在很多應用領域，模擬電源逐漸被數字電源所代替， 特別是在很多臺電源同時協調工作的網絡化電源，就更需要非常穩定可靠的數字化電源。 而本設計的數字化電源的采集系統可以很方便的實現電源管理，特別是網絡化數字電源。 因此，這種采用FPGA+DSP的數據采集系統具有廣泛的應用前景。
【主權項】
1. 一種基于FPGA和DSP的高精度數字電源數據采集系統，其特征在于：包括調理電 路、AD轉換器、FPGA芯片、SignalTap邏輯分析儀、DSP芯片、PWM輸出和JTAG仿真接口，所 述調理電路與AD轉換器相連，所述AD轉換器和SignalTap邏輯分析儀分別與FPGA芯片相 連，所述FPGA芯片、PWM輸出和JTAG仿真接口分別與DSP芯片相連。2. 根據權利要求1所述的基于FPGA和DSP的高精度數字電源數據采集系統，其特征在 于：所述DSP芯片采用TMS320LF2407芯片。3. 根據權利要求1所述的基于FPGA和DSP的高精度數字電源數據采集系統，其特征在 于：所述AD轉換器采用TI公司的TLV2543。4. 根據權利要求1所述的基于FPGA和DSP的高精度數字電源數據采集系統，其特征在 于：所述FPGA芯片采用Altern的Cyclone系列的EP1C3T144C8。
【專利摘要】本發明涉及數據采集技術領域，尤其涉及一種基于FPGA和DSP的高精度數字電源數據采集系統，包括調理電路、AD轉換器、FPGA芯片、SignalTap邏輯分析儀、DSP芯片、PWM輸出和JTAG仿真接口，所述調理電路與AD轉換器相連，所述AD轉換器和SignalTap邏輯分析儀分別與FPGA芯片相連，所述FPGA芯片、PWM輸出和JTAG仿真接口分別與DSP芯片相連。本發明利用FPGA可靈活編程配置和DSP處理數據快的優點，實現了一種數字化電源中的高精度數據采集系統。其系統前端采用差分電路實現了信號的高精度調理，核心部分則采用FPGA芯片和DSP芯片數字電路，從而有效防止了干擾，這是模擬系統無法達到的。
【IPC分類】G01R31/40
【公開號】CN105353322
【申請號】CN201510814359
【發明人】蔡旭東, 姜惠啟, 孫淼
【申請人】青島中科軟件股份有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月20日