CN105353322A - 一种基于fpga和dsp的高精度数字电源数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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IC，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
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。
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。
优选地，所述DSP芯片采用TMS320LF2407芯片。
优选地，所述AD转换器采用TI公司的TLV2543。
优选地，所述FPGA芯片采用A1tern的Cyclone系列的EP1C3T144C8。
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
图1为本发明系统硬件结构图；
图2为信号调理电路；
图3为FPGA对AD的控制及FPGA与DSP的通信电路。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的描述。
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。
所述DSP芯片采用TMS320LF2407芯片。
所述AD转换器采用TI公司的TLV2543。
所述FPGA芯片采用A1tern的Cyclone系列的EP1C3T144C8。
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。
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。
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。
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EOC，AD转换器输入控制信号引脚INPUT和输出信号引脚OUTPUT，FPGA芯片则选用A1tern的Cyclone系列的EP1C3T144C8。该FPGA芯片内含1个PLL、2910个LE、104个I/0口、59904bit的内部RAM。它们之间的通信关系如图3所示。
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/0口的电压(3.3V)相匹配，所以不需要电平转换电路。SPISIMO引脚负责发送控制信号给FPGA芯片，SPISOMI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。
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QuartusII6.0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，其片选为高，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，同时DATAOUT为高阻抗状态。为低时，系统开始转换过程，此时I/OCLOCK和DATAINPUT使能，并使DATAOUT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。
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。
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。
嵌入式逻辑分析仪SignalTapII：用嵌入式逻辑分析仪SignalTapII分析逻辑参数时，可以不通过IO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。
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。
Claims (4)
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A1tern的Cyclone系列的EP1C3T144C8。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108958135A (zh) * | 2018-08-18 | 2018-12-07 | 成都为蓝科技有限公司 | 一种快速精确的信息采集智能控制系统 |
| CN109932942A (zh) * | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 成都熠辉科技有限公司 | 一种检测综合数据采集系统 |
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2015
- 2015-11-20 CN CN201510814359.7A patent/CN105353322A/zh active Pending
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Application publication date: 20160224 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |