CN106814659A - 一种基于c8051f340单片机和fpga的多路电源电压在线检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置，包括被测的电源部分，C8051F340与FPGA主控电路部分，PC上位机部分；硬件电路包括以下几个部分：基于C8051F340单片机的控制与通信部分，FPGA信号处理，AD信号采集与调理。本发明采用C8051F340单片机和FPGA的电源电压在线检测系统的硬件电路以及相应的软件，给出了硬件框图和软件流程图，最后对整个系统进行了测试，使用FPGA不仅克服了传统设计上模拟集成电路的缺点，而且在数据传输速度和处理速度上有了显著提高。该电源电压检测系统现已经在整机测试台项目中使用，实践表明本设计合理，通信稳定，数据准确，符合工程应用标准。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置。
背景技术
C8051F340是完全集成的混合信号系统芯片（SOC），具有与8051指令集完全兼容的CIP‐51 内核。在速度功能等方面完全优于8051芯片，是当前8 位机中品质顶尖的产品。C8051F340有48只引脚。片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件，并能方便地通过数字交叉开关将内部数字系统资源定向到外部I/O口上。它的特点是：高达25MIPS 的执行速度，强大的模拟信号处理和资源控制功能，8 路高性能的12位ADC（最大转换速率为100KS/S）数据采集系统，两路12位DAC
，两路模拟比较器和ADC可编程窗口检测器；片内还设有JTAG调试电路，提供全速非侵入式的在系统调试（无需仿真器）
。芯片采用流水线技术，70％指令的执行时间为1或2系统时钟周期，为有关监控电路的监控与切换创造了非常有利的条件。片内的看门狗电路，电源监视电路等可靠的安全机制也保证了电路工作的稳定。本项目结合实际的需要，特选用C8051F340作为本系统的主控制芯片。主要负责与上位机进行信息交换，并且向FPGA发出控制信号，读取SRAM中存储的电压数据。
现场可编程门阵列（FPGA）随着现代数字集成技术的发展应运而生，现代大容量、高速度FPGA的出现，克服了传统硬件设计中数据处理速度慢，可兼容性不强，不易现场升级等诸多不足。本系统中的FPGA采用的是Xilinx公司的V5系列的XC5VLX30‐1FF324I。该系列具有低功耗、高性能的特点，内部带有乘法器，有着丰富的分布式RAM 和块RAM；精确的时钟管理模块。以及性能优越、稳定成熟的IP核，有利于缩短开发周期。Xilinx公司的ISE 软件为FPGA的设计与实现提供了很好的开发平台，通过VHDL、原理图和状态机相互结合的设计方法使设计更趋于完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通信稳定，数据准确的基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置包括被测的电源部分，C8051F340与FPGA主控电路部分，PC上位机部分。硬件电路包括以下几个部分：基于C8051F340单片机的控制与通信部分，FPGA信号处理，AD信号采集与调理。
所述的C8051F340主要负责信号的传递和控制，接收上位机的控制信息，将这些信息处理后由IO口输出到FPGA。系统所测电源分为ABCD四组，每组4路，共16路电源，每路电源信号均从负载端接回对应的遥测信号。检测板通过功率管控制每一路的导通和关断，并经由隔离器与FPGA进行数据传递。
所述的FPGA根据相应的地址信息，完成电源电压的采集、存储和处理工作，以及对功率管的开关控制，并将采集到的电源电压值通过单片机上传到上位机。
所述的上位机主要完成电源电压大小的实时显示，发出相应开关和AD采集的控制信号。上位机与C8051F340通过USB进行通信，FPGA与单片机通过部分数据地址复用的方式进行通信。
所述的C8051F340单片机主要负责与上位机进行信息交换，并且向FPGA发出控制信号，读取SRAM 中存储的电压数据。
所述的FPGA部分采用的是Xilinx公司的V5系列的XC5VLX30‐1FF324I。FPGA模块是整个数据采集处理系统的核心，主要完成功率开关控制、ADC采样控制和采样数据的存储回放工作。FPGA与单片机以数据/地址复用的方式互连通信，通过解析单片机命令对相应电路功能单元进行控制操作。
所述的AD信号采集与调理电路采用外部的AD转换芯片AD7685，是ADI公司推出的一款16位高速模数转换芯片，其数据吞吐率最高可达250KSPS，最大误差为±2LSB，其性能能够较好地满足系统设计需求。系统利用FPGA驱动AD7685的控制信号并对采样数据进行串并转换以及缓冲处理，从而令系统的采样速度能够保证对电压信号中小脉冲的监控。
本发明的有益效果是：本发明采用C8051F340单片机和FPGA对电源电压的检测和控制，C8051F340单片机功能强大，价格便宜。使用FPGA不仅克服了传统设计上模拟集成电路的缺点，而且在数据传输速度和处理速度上有了显著提高。该电源电压检测系统现已经在整机测试台项目中使用，实践表明本设计合理，通信稳定，数据准确，符合工程应用标准。本设计较以往的电源电压检测系统具有电路简单、稳定性高，使用方便等特点。随着电子技术的发展，对检测系统的要求也越来越高，自动检测设备也在向实时性，精确性迈进。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是系统总体设计方案。
图2是硬件系统框图。
图3是AD采集与信号调理图。
具体实施方式
如图1所示，基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置由被测的电源部分，C8051F340与FPGA主控电路部分，PC上位机部分。C8051F340主要负责信号的传递和控制，接收上位机的控制信息，将这些信息处理后由IO口输出到FPGA。FPGA根据相应的地址信息，完成电源电压的采集、存储和处理工作，以及对功率管的开关控制，并将采集到的电源电压值通过单片机上传到上位机。上位机主要完成电源电压大小的实时显示，发出相应开关和AD采集的控制信号。上位机与C8051F340通过USB进行通信，FPGA与单片机通过部分数据地址复用的方式进行通信。
如图2所示，硬件电路包括以下几个部分：基于C8051F340单片机的控制与通信部分，FPGA信号处理，AD信号采集与调理。系统所测电源分为ABCD 四组，每组4 路，共16路电源，每路电源信号均从负载端接回对应的遥测信号。检测板通过功率管控制每一路的导通和关断，并经由隔离器与FPGA进行数据传递。选用C8051F340作为本系统的主控制芯片。主要负责与上位机进行信息交换，并且向FPGA发出控制信号，读取SRAM 中存储的电压数据。上位机与单片机通过USB 进行通信。C8051F340片内集成了USB总线控制器，它与计算机的USB通信依靠D ＋和D－2个引脚完成的，接口非常简单。在电路设计过程中，D＋和D－上并接了4 只高频二极管，可以实现简单的ESD保护。USB传输具有高速可靠传输的优势，具有成本低、可靠性高、维护方便等优点。本文以带有片上USB 的C8051F340为核心控制器件，利用USB 总线高速传输的特性，设计了电源电压在线检测系统。FPGA模块是整个数据采集处理系统的核心，主要完成功率开关控制、ADC采样控制和采样数据的存储回放工作。FPGA与单片机以数据/地址复用的方式互连通信，通过解析单片机命令对相应电路功能单元进行控制操作。系统采用CY6216EV30
芯片存储FPGA采集的数据，CY6216EV30为静态RAM，存储容量大(16－MBIt），满足系统设计的要求。为了减少信号之间的干扰，系统采用ADｕM1401芯片进行信号之间的隔离。
如图3所示，电源电压可能受外界的干扰下出现一些波动，对于供电系统，这些波动可能导致系统工作异常。因此，电源电压数据的数据采集和监控是硬件设计的重点之一。由于各路电源信号间需要互相隔离，因此系统设计时须采用外部的AD转换芯片。AD7685是ADI公司推出的一款16位高速模数转换芯片，最大误差为±2LSB，其性能能够较好地满足系统设计需求。系统利用FPGA驱动AD7685的控制信号并对采样数据进行串并转换以及缓冲处理，从而令系统的采样速度能够保证对电压信号中小脉冲的监控。电源电压信号经过比例衰减、电平转换以及开关选择送到AD7685进行采样；AD768通过隔离器件与FPGA相连接。
Claims (7)
1.一种基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置，其特征是：包括被测的电源部分，C8051F340与FPGA主控电路部分，PC上位机部分；硬件电路包括以下几个部分：基于C8051F340单片机的控制与通信部分，FPGA信号处理，AD信号采集与调理。
2.根据权利要求1所述的基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置，其特征是：所述的C8051F340主要负责信号的传递和控制，接收上位机的控制信息，将这些信息处理后由IO口输出到FPGA；系统所测电源分为ABCD四组，每组4路，共16路电源，每路电源信号均从负载端接回对应的遥测信号；检测板通过功率管控制每一路的导通和关断，并经由隔离器与FPGA进行数据传递。
3.根据权利要求1所述的基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置，其特征是：所述的FPGA根据相应的地址信息，完成电源电压的采集、存储和处理工作，以及对功率管的开关控制，并将采集到的电源电压值通过单片机上传到上位机。
4.根据权利要求1所述的基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置，其特征是：所述的上位机主要完成电源电压大小的实时显示，发出相应开关和AD采集的控制信号；上位机与C8051F340通过USB进行通信，FPGA与单片机通过部分数据地址复用的方式进行通信。
5.根据权利要求1所述的基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置，其特征是：所述的C8051F340单片机主要负责与上位机进行信息交换，并且向FPGA发出控制信号，读取SRAM 中存储的电压数据。
6.根据权利要求1所述的基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置，其特征是：所述的FPGA部分采用的是Xilinx公司的V5系列的XC5VLX30‐1FF324I；FPGA模块是整个数据采集处理系统的核心，主要完成功率开关控制、ADC采样控制和采样数据的存储回放工作；FPGA与单片机以数据/地址复用的方式互连通信，通过解析单片机命令对相应电路功能单元进行控制操作。
7.根据权利要求1所述的基于C8051F340单片机和FPGA的多路电源电压在线检测装置，其特征是：所述的AD信号采集与调理电路采用外部的AD转换芯片AD7685，是ADI公司推出的一款16位高速模数转换芯片，其数据吞吐率最高可达250KSPS，最大误差为±2LSB，其性能能够较好地满足系统设计需求；系统利用FPGA驱动AD7685的控制信号并对采样数据进行串并转换以及缓冲处理，从而令系统的采样速度能够保证对电压信号中小脉冲的监控。
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