一种基于fpga和dsp的高精度数字电源数据采集系统的制作方法

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一种基于fpga和dsp的高精度数字电源数据采集系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数据采集技术领域,尤其涉及一种基于FPGA和DSP的高精度数字电源 数据采集系统。
【背景技术】
[0002] 对于一个简单的、固定功能的应用,模拟电源管理可能保持较大的成本竞争力。但 是,对于要求灵活性或者通信功能较复杂的1C,数字电源不仅具有低成本竞争力,而且在许 多情况下可能是唯一的选择。数字电源管理一般包括电源控制和数字信号处理。而数据采 集的精度和速度在数字电源管理中起着关键作用。目前在国内,采用基于FPGA+DSP经典组 合的数据采集系统对数字电源进行管理还是比较少见的。

【发明内容】

[0003] 本发明的基于FPGA和DSP的高精度数字电源数据采集系统,利用FPGA可灵活编 程配置和DSP处理数据快的优点,实现了一种数字化电源中的高精度数据采集系统。
[0004] 为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种基于FPGA和DSP的高精度数 字电源数据采集系统,包括调理电路、AD转换器、FPGA芯片、SignalTap逻辑分析仪、DSP芯 片、PWM输出和JTAG仿真接口,所述调理电路与AD转换器相连,所述AD转换器和SignalTap 逻辑分析仪分别与FPGA芯片相连,所述FPGA芯片、PWM输出和JTAG仿真接口分别与DSP芯 片相连。
[0005] 优选地,所述DSP芯片采用TMS320LF2407芯片。
[0006] 优选地,所述AD转换器采用TI公司的TLV2543。
[0007] 优选地,所述FPGA芯片采用Altern的Cyclone系列的EP1C3T144C8。
[0008] 本发明利用FPGA可灵活编程配置和DSP处理数据快的优点,实现了一种数字化电 源中的高精度数据采集系统。其系统前端采用差分电路实现了信号的高精度调理,核心部 分则采用FPGA和DSP数字电路,从而有效防止了干扰,这是模拟系统无法达到的。目前, 随着数字电路的发展,在很多应用领域,模拟电源逐渐被数字电源所代替,特别是在很多台 电源同时协调工作的网络化电源,就更需要非常稳定可靠的数字化电源。而本设计的数字 化电源的采集系统可以很方便的实现电源管理,特别是网络化数字电源。因此,这种采用 FPGA+DSP的数据采集系统具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明系统硬件结构图;
[0010] 图2为信号调理电路;
[0011] 图3为FPGA对AD的控制及FPGA与DSP的通信电路。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细的描述。
[0013] -种基于FPGA和DSP的高精度数字电源数据采集系统,包括调理电路、AD转换器、 FPGA芯片、SignalTap逻辑分析仪、DSP芯片、PWM输出和JTAG仿真接口,所述调理电路与 AD转换器相连,所述AD转换器和SignalTap逻辑分析仪分别与FPGA芯片相连,所述FPGA 芯片、PWM输出和JTAG仿真接口分别与DSP芯片相连。
[0014] 所述DSP芯片采用TMS320LF2407芯片。
[0015] 所述AD转换器采用TI公司的TLV2543。
[0016] 所述 FPGA 芯片采用 Altern 的 Cyclone 系列的 EP1C3T144C8。
[0017] 本系统采用基于FPGA+DSP经典组合的数据采集系统对数字电源进行管理的方 法。该方法采用FPGA控制12位的AD转换器TLV2543来采集数字电源的电压,同时把采集 到的数据通过SPI接口送给定点DSP芯片TMS320LF2407,再经DSP通过PI调节处理后输出 PWM波来控制数字电源的稳定性。
[0018] 本系统的硬件总体结构如图1所示,主要包括调理电路、AD转换器、FPGA芯片、DSP 芯片(TMS320LF2407)、JTAG仿真接口模块等。其中调理电路主要是对输入信号进行滤波和 隔离;AD转换器部分则由FPGA芯片驱动AD转换器对电压进行采集;数据传输部分由FPGA 芯片通过DSP芯片的SPI接口把采集到的数据送给DSP芯片;数据处理部分则由DSP芯片 通过PI算法来输出用于控制数字电源的PWM波形信号。
[0019] 调理电路:不同的数字电源,其信号调理电路也不一样。本设计主要是对小于5V 的电压信号进行采集。由于在电压信号中存在大量的高频信号干扰,因此,首先要对电压进 行滤波处理。经典的滤波电路一般由电阻、电感、电容组成。此外,如果信号比较小,还要经 过放大等。本次设计采用差分电路对输入信号进行调理,以便于AD转换器对输入信号的高 精度采集,这也是本设计的优点之一,其具体的调理电路如图2所示。
[0020] FPGA芯片对AD转换器的控制:系统中的AD转换器选用TI公司的TLV2543,其转 换时间为10微秒,最大采样频率为100kHz,它具有11个模拟输入通道和12位串行输出。 TLV2543与FPGA芯片的通信需要5个引脚,其中时钟输入引脚CLIP由FPGA提供采样时 钟,如果片选信号有效,将在CLIP的上升沿发出4位采样通道控制信号,其中包括2位输 出位数控制位、1位导向位、1位极性选择位。其余4个引脚为片选引脚CS,转换结束引脚 E0C,AD转换器输入控制信号引脚INPUT和输出信号引脚0UTPUT,FPGA芯片则选用Altern 的 Cyclone 系列的 EP1C3T144C8。该 FPGA 芯片内含 1 个 PLL、2910 个 LE、104 个 I/O 口、 59904bit的内部RAM。它们之间的通信关系如图3所示。
[0021] FPGA芯片与DSP芯片的通信:TMS320LF2407DSP内部带有一个SPI接口,该DSP芯 片可工作在主动模式和从动模式,当其工作在主动模式时,DSP芯片的SPICLIP引脚用于提 供CLIP,而SPISTE引脚则可作为从控制器件的片选信号引脚。本设计中的DSP芯片工作在 主动模式。由于DSP芯片和FPGA芯片的I/O 口的电压(3. 3V)相匹配,所以不需要电平转 换电路。SPISnro引脚负责发送控制信号给FPGA芯片,SPIS0MI引脚则负责接收FPGA芯片 发来的数据。这两条引脚在SPICLK提供的CLK控制下可以发送或者接收数据。具体通信 连接方式如图3所示。
[0022] FPGA芯片的控制时序与仿真:FPGA芯片的软件开发平台采用Altera公司的 Quartus 116. 0版本,该版本集成有强大的宏单元模块,设计人员只需调用它们就可以了。 当AD转换器开始时,其片选SS为高,I/O CLOCK和DATAINPUT被禁止,同时DATA OUT为高 阻抗状态。S:为低时,系统开始转换过程,此时I/O CLOCK和DATA INPUT使能,并使DATA OUT端脱离高阻抗状态,接着FPGA芯片开始发12个时钟信号,同时在该时钟控制下发送控 制信号并接收AD转换器转换数据。
[0023] DSP芯片中高精度PWM波的产生:通过DSP芯片中的PI算法可使DSP芯片产生PWM 波,该PWM波的产生起着关键作用,本次研究就是以如何在DSP芯片上产生高精度的PWM波 为出发点。
[0024] TMS320LF2407中含有两个事件管理模块,每一个事件管理模块可以产生多达8路 的PWM信号(即3个带可编程死区控制的比较单元产生的3对PWM信号和GP定时器产生的 2个独立PWM信号)。每一个PWM周期均由相应的16位定时器周期寄存器(TxPER)决定, PWM波的占空比由比较单元寄存器CMPRx决定。当定时器的值达到比较单元寄存器CMPRx 的值时,输出就会跳变。定时器的时钟采用系统时钟(最大可为40MHz),可以实现高精度的 PWM波的产生,这是本设计的优点之一。本设计还采用2路输出相位相差180度、周期相同 的PWM波来实现对数字电源的控制。
[0025] 嵌入式逻辑分析仪SignalTap II :用嵌入式逻辑分析仪SignalTap II分析逻辑 参数时,可以不通过10 口实现FPGA芯片对AD转换器采样数据的读取。由于它是内嵌在 FPGA芯片里面的,故可同下载文件一起下载到FPGA芯片中。
[0026] 本发明利用FPGA芯片可灵活编程配置和DSP芯片处理数据快的优点实现了一种 数字化电源中的高精度数据采集系统。其系统前端采用差分电路实现了信号的高精度调 理,核心部分则采用FPGA芯片和DSP芯片数字电路,从而有效防比了干扰,这是模拟系统无 法达到的。目前,随着数字电路的发展,在很多应用领域,模拟电源逐渐被数字电源所代替, 特别是在很多台电源同时协调工作的网络化电源,就更需要非常稳定可靠的数字化电源。 而本设计的数字化电源的采集系统可以很方便的实现电源管理,特别是网络化数字电源。 因此,这种采用FPGA+DSP的数据采集系统具有广泛的应用前景。
【主权项】
1. 一种基于FPGA和DSP的高精度数字电源数据采集系统,其特征在于:包括调理电 路、AD转换器、FPGA芯片、SignalTap逻辑分析仪、DSP芯片、PWM输出和JTAG仿真接口,所 述调理电路与AD转换器相连,所述AD转换器和SignalTap逻辑分析仪分别与FPGA芯片相 连,所述FPGA芯片、PWM输出和JTAG仿真接口分别与DSP芯片相连。2. 根据权利要求1所述的基于FPGA和DSP的高精度数字电源数据采集系统,其特征在 于:所述DSP芯片采用TMS320LF2407芯片。3. 根据权利要求1所述的基于FPGA和DSP的高精度数字电源数据采集系统,其特征在 于:所述AD转换器采用TI公司的TLV2543。4. 根据权利要求1所述的基于FPGA和DSP的高精度数字电源数据采集系统,其特征在 于:所述FPGA芯片采用Altern的Cyclone系列的EP1C3T144C8。
【专利摘要】本发明涉及数据采集技术领域,尤其涉及一种基于FPGA和DSP的高精度数字电源数据采集系统,包括调理电路、AD转换器、FPGA芯片、SignalTap逻辑分析仪、DSP芯片、PWM输出和JTAG仿真接口,所述调理电路与AD转换器相连,所述AD转换器和SignalTap逻辑分析仪分别与FPGA芯片相连,所述FPGA芯片、PWM输出和JTAG仿真接口分别与DSP芯片相连。本发明利用FPGA可灵活编程配置和DSP处理数据快的优点,实现了一种数字化电源中的高精度数据采集系统。其系统前端采用差分电路实现了信号的高精度调理,核心部分则采用FPGA芯片和DSP芯片数字电路,从而有效防止了干扰,这是模拟系统无法达到的。
【IPC分类】G01R31/40
【公开号】CN105353322
【申请号】CN201510814359
【发明人】蔡旭东, 姜惠启, 孙淼
【申请人】青岛中科软件股份有限公司
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月20日
再多了解一些
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