CN110568253A - 一种基于fpga的电压监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的电压监测系统，所述系统包括：设置模块设置基准电压的采样周期数为N个；通过采样模块获取当前采样周期内的当前电压值；均值模块将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值；运算模块将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压；判断模块当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。通过本发明，不需要搭建额外的硬件外围电压监测电路，实现了对器件的电压实时监测。

Description

一种基于FPGA的电压监测系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的电压监测系统及方法。

背景技术

在通信设备设计中，芯片需要工作在正常的电压范围内，才能保证芯片的正常工作。由于通信设备应用的现场环境的不同，有可能会导致提供不稳定的供电电压，不稳定的供电电压会使通信设备工作电压不稳定，比如，导致欠压或者过压的问题，因而会导致通信设备间的通信异常，甚至导致通信设备挂死。

现有技术中，对芯片的电压监测的技术方案中，多数通过搭建外围硬件电路来实现，比如，通过电阻、电容以及MOS管来搭建硬件电路来实现。但是该技术方案中，用来监测芯片电压的基准电压是固定的。在实际应用中，由于设备应用的场景复杂，比如，业务资源空载和满载时所需要的芯片工作电压不同，因此用于监测芯片电压的基准电压也应该是实时更新的。同时，使用现有技术方案，如果通信设备在运行过程中因为该外围电路的某个器件损坏掉，而不能正常进行电压监测，则需要维护人员现场进行器件更换，这给用户带来很大的不方便，以及更多的维护成本。同时额外地搭建外围硬件电路，给用户带来成本，以及占用单板布线的空间。

因此，本发明提出一种对电压进行监测的技术方案，不需要搭建额外的硬件外围电压监测电路，对器件的电压进行实时监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的电压监测系统及方法，不需要搭建额外的硬件外围电压监测电路，实现了对器件的电压实时监测。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的电压监测系统，所述系统包括：

设置模块，用于设置基准电压的采样周期数为N个；

采样模块，用于获取当前采样周期内的当前电压值；

均值模块，用于将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值；

运算模块，用于将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压；

判断模块，用于当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。

优选的，所述系统还包括模数转换模块和存储模块，其中，

所述模数转换模块将每一个采样周期的获取的模拟电压信号转换为数字电压值，并输出每一个采样周期对应的数字电压值至所述存储模块；

所述存储模块将接收到的每一个采样周期对应的数字电压值进行存储。

优选的，所述存储模块的存储容量大于所述N值。

优选的，所述系统还包括第一计数器，其分别与所述模数转换模块和存储模块相连接，其中，

所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第一计数器；

所述第一计数器对输入的每一个脉冲信号进行计数，生成每一个采样周期对应的写地址并发送至所述存储模块。

优选的，所述系统还包括锁存器和减法器，其中，

所述锁存器分别与所述模数转换模块和减法器相连接；

所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述锁存器；

所述第一计数器输出所述当前采样周期对应的写地址至所述锁存器；

所述锁存器输出所述当前采样周期对应的写地址至所述减法器。

优选的，所述系统还包括第二计数器，所述第二计数器分别与所述模数转换模块和所述减法器相连接，其中，

所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第二计数器；

所述第二计数器基于所述脉冲信号进行计数清零，基于自身高频时钟的自振开始计数，直至计数至所述N值，并输出每一个计数值至所述减法器。

优选的，所述减法器将所述锁存器输出的当前采样周期对应的写地址，分别与所述第二计数器输出的每一个计数值进行相减，得到所述N个电压值中每一个电压值在所述存储模块中的存储地址，并输出所述每一个电压值对应的存储地址至所述存储模块。

优选的，所述系统还包括第三计数器，其分别与所述模数转换模块和判断模块相连接，其中，

所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第三计数器；

所述第三计数器记录所述脉冲信号的个数，并当所述脉冲信号的个数为所述N值，生成一有效信号并发送至所述判断模块。

优选的，当所述判断模块当判定所述差值电压不在所述阈值范围时，输出一告警信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的电压监测方法，所述方法包括：

S1、设置基准电压的采样周期数为N个；

S2、获取当前采样周期内的当前电压值；

S3、将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值；

S4、将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压，并当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。

与现有技术相比，本发明一种基于FPGA的电压监测系统及方法，所带来的有益效果为：

(1)利用FPGA IP Core中的模数转换模块功能，通过FPGA实现对芯片电压的实时监测；

(2)该技术方案中的基准电压可实时更新，能够更加精准地对芯片电压进行监测；

(3)该技术方案不需要额外搭建硬件外围电压监测电路，节省了用户的成本；

(4)当电压出现异常时，输出告警指示；

(5)现有技术方案中的外围监测电路中的器件损坏后，需要维护人员到现场进行更换器件，而本发明通过FPGA实现芯片监测的技术方案，可远程监测和维护，给设备的维护带来方便，节省了维护成本。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例中基于FPGA的电压监测系统的系统示意图。

图2是根据本发明的一个具体实施例的系统示意图。

图3是根据本发明的一个实施例中基于FPGA的电压监测方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明一实施例中，本发明提供一种基于FPGA的电压监测系统，所述系统包括：

设置模块10，用于设置基准电压的采样周期数为N个；

采样模块11，用于获取当前采样周期内的当前电压值；

均值模块12，用于将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值；

运算模块13，用于将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压；

判断模块14，用于当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。

本发明利用FPGA(现场可编程门阵列)的IP Core，实时监测芯片电压值的变化。所述设置模块设置基准电压的采样周期数为N个。由于芯片的工作电压存在纹波现象，所以连续相连两个采样周期的电压存在波动现象，因此需要对电压进行滤抖。对电压进行滤斗的技术方案采用对电压求平均的技术方案。因此，所述设置模块设置基准电压的采样周期数为N个，用户可以根据需要在该设置模块设置采样周期数，即设置求平均的采样周期个数，选择N个采样周期的电压值求平均得到基准电压。比如，监测电压的采样频率为1mhz，其采样周期为1us，设置采样周期数为10个，每1us采样到对应的一个电压值，连续10us采样到10个电压值，这10个电压值的平均值为基准电压。

所述采样模块获取当前采样周期内的当前电压值。在当前采样周期内，监测到当前时刻的当前电压值。根据当前电压值，进一步判断该电压值是否在芯片工作电压的正常范围内。

如图2所示的本发明一具体实施例中，所述系统还包括模数转换模块和存储模块，其中，所述模数转换模块将每一个采样周期的获取的模拟电压信号转换为数字电压值，并输出每一个采样周期对应的数字电压值至所述存储模块，所述存储模块将接收到的每一个采样周期对应的数字电压值进行存储。本发明利用FPGA IP Core中的模数转换模块功能，将采集到芯片的模拟电压信号，转换为数字电压信号。所述模数转换模块输出每一个采样周期的数字电压值，并作为存储模块的数据输入。所述存储模块存储每一个采样周期对应的数字电压。根据本发明的一具体实施例，所述存储模块的存储容量大于所述N值，所述存储模块必须能存储不少于N个电压值，这样在后续电压监测方案中，可以从所述存储模块中取出N个电压值，将这个N个电压值求其平均得到实时基准电压。

如图2所示的本发明一具体实施例中，所述系统还包括第一计数器，其分别与所述模数转换模块和存储模块相连接，其中，所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第一计数器，所述第一计数器对输入的每一个脉冲信号进行计数，生成每一个采样周期对应的写地址并发送至所述存储模块。所述第一计数器的计数范围等于所述存储模块的存储容量。所述模数转换模块输出每一个采样周期的脉冲信号，比如，所述采样周期为1us，所述模数转换模块每1us接收到模拟电压信号，将该模拟电压信号转换为数字电压值，并输出一个1us脉冲信号。所述第一计数器每接收到一个1us脉冲信号，在脉冲信号上升沿时开始计数，得到当前计数器的值，该计数器的值作为所述存储模块的写地址。因此，所述模数转换模块输出每一个采样周期的数字电压值至所述存储模块，以及输出一个脉冲信号至所述第一计数器，所述第一计数器根据所述脉冲信号进行计数，生成所述存储模块的写地址，根据该写地址将对应的数字电压值写入所述存储模块。对应每一个采样周期的写地址，在所述存储模块中写入该采样周期对应的数字电压值，完成数据的存储工作。所述存储模块中存储多个采样周期对应的多个数字电压值。

如图2所示的本发明一具体实施例中，所述系统还包括锁存器和减法器，其中，所述锁存器分别与所述模数转换模块和减法器相连接，所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述锁存器，所述第一计数器输出所述当前采样周期对应的写地址至所述锁存器，所述锁存器输出所述当前采样周期对应的写地址至所述减法器。所述锁存器在每一个脉冲信号的上升沿，锁存所述第一计数器输出的对应的写地址，作为所述减法器的输入。

如图2所示的本发明一具体实施例中，所述系统还包括第二计数器，所述第二计数器分别与所述模数转换模块和所述减法器相连接，所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第二计数器，所述第二计数器基于所述脉冲信号进行计数清零，基于自身高频时钟的自振开始计数，直至计数至所述N值，并输出每一个计数值至所述减法器。所述第二计数器当计数至N值，保持计数不变。所述第二计数器的自身时钟的频率是高频时钟，在每一个脉冲信号的上升沿，计数清零，并基于自身高频时钟的自振开始计数，在所述脉冲信号的时钟周期内，计数从1计数到N值，输出每一个计数值至所述减法器，即输出1-N值至所述减法器。

如图2所示的本发明一具体实施例中，所述减法器将所述锁存器输出的当前采样周期对应的写地址，分别与所述第二计数器输出的每一个计数值进行相减，得到所述N个电压值中每一个电压值在所述存储模块中的存储地址，并输出所述每一个电压值对应的存储地址至所述存储模块。所述减法器将当前采样周期对应的写地址，分别减去1～N值，就可计算出所述N个电压值在所述存储模块的存储地址，即得到所述N个电压值在所述存储模块的读地址。根据所述每一个电压值对应的存储地址，在所述存储模块中读取对应的电压值。

如图2所示的本发明一具体实施例中，所述系统还包括第三计数器，其分别与所述模数转换模块和判断模块相连接，所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第三计数器，所述第三计数器记录所述脉冲信号的个数，并当所述脉冲信号的个数为所述N值，生成一有效信号并发送至所述判断模块。所述第三计数器每接收到一个脉冲信号，在脉冲信号上升沿时开始计数，得到当前计数器的值，当计数器的值超过所述N值时，停止计数，并生成一有效信号发送至所述均值模块。由于系统在上电开始时，系统还没有完全获取到N个采样周期的N个电压值，这时如果按照求平均的方式计算得到基准电压，该基准电压是一个不准确的值，只有当采样周期数至少达到N个采样周期时，即至少获取到N个电压值，这时计算得到的基准电压才是正确的，因此所述第三计数器记录脉冲信号的个数，当脉冲信号的个数为所述N值时，生成一有效信号至所述判断模块，所述判断模块根据所述有效信号，判断所述差值电压是否在一预设的阈值范围内。

所述均值模块将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值。所述均值模块根据所述N个电压值中每一个电压值在所述存储模块中的存储地址，在所述存储模块中读取到对应的电压值，即得到N个电压值。将所述N个电压值求平均，得到一实时基准电压值，所述基准电压是实时的，在当前采样周期时更新的。比如，设置N为10，采样周期为1us。当前采样周期为11us，那么实时基准电压是1us到10us采样对应的均值电压，若当前采样周期变为12us时，那么实时基准电压是2us到11us采样对应的均值电压，所以基准电压是实时更新的。由于通信设备在业务负载不同时，芯片的电压会存在差异，所以基准电压不能是一个固定的值。因此基准电压采用滑窗求平均的方法，将当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，所得平均值为实时基准电压值，所以实时基准电压是在实时变化的，都会在当前采样周期更新。

所述运算模块将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压。所述判断模块接收到所述第三计数器发送的有效信号时，判断所述差值电压是否在一预设的阈值范围内，当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。当所述判断模块接收到所述有效信号时，表明所述均值模块输出的实时基准电压时是正确的，可以对当前实时电压进行电压监测。所述阈值范围的设定，可根据芯片工作电压来设定。所述阈值范围一般设定正常差值电压的3-4倍。根据本发明的一具体实施例，当所述判断模块当判定所述差值电压不在所述阈值范围时，输出一告警信息。比如，当所述差值电压大于所述阈值范围时，输出一欠压告警信息。

根据该技术方案，利用FPGA IP Core中的模数转换模块功能，对电压进行监测，该技术方案不需要额外搭建硬件外围电压监测电路，实时监测芯片的电压，并当电压出现异常时，输出告警指示；同时该技术方案中的基准电压实时更新，能够精确地进行电压监测。

如图3所示本发明的一实施例，本发明提供一种基于FPGA的电压监测方法，所述方法包括：

S301、设置基准电压的采样周期数为N个；

S302、获取当前采样周期内的当前电压值；

S303、将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值；

S304、将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压，并当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。

本发明利用FPGA的IP Core的模数转换功能模块，实时监测芯片电压值的变化。设置基准电压的采样周期数为N个。用户可以根据需要设置采样周期数，即设置求平均的采样周期个数，选择N个采样周期的电压值求平均得到基准电压。比如，监测电压的采样频率为1mhz，其采样周期为1us，设置采样周期数为10个，每1us采样到对应的一个电压值，连续10us采样到10个电压值，这10个电压值的平均值为基准电压。

获取当前采样周期内的当前电压值。在当前采样周期内，监测到当前时刻的当前电压值。具体地，所述模数转换模块将获取的当前模拟电压信号转换为当前数字电压值，并将该当前数字电压值存储至所述存储模块。

将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值。具体地，所述模数转换模块将每一个采样周期的获取的模拟电压信号转换为数字电压值，并输出每一个采样周期对应的数字电压值至所述存储模块，所述存储模块将接收到的每一个采样周期对应的数字电压值进行存储。根据本发明的一具体实施例，所述存储模块的存储容量大于所述N值，所述存储模块必须能存储不少于N个电压值。所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第一计数器，所述第一计数器对输入的每一个脉冲信号进行计数，生成每一个采样周期对应的写地址并发送至所述存储模块。根据该写地址将对应的数字电压值写入所述存储模块。对应每一个采样周期的写地址，在所述存储模块中写入该采样周期对应的数字电压值，完成数据的存储工作。所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述锁存器，所述第一计数器输出所述当前采样周期对应的写地址至所述锁存器，所述锁存器输出所述当前采样周期对应的写地址至所述减法器。所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第二计数器，所述第二计数器基于所述脉冲信号进行计数清零，基于自身高频时钟的自振开始计数，直至计数至所述N值，并输出每一个计数值至所述减法器。所述第二计数器在每一个脉冲信号的上升沿，计数清零，并基于自身高频时钟的自振开始计数，在所述脉冲信号的时钟周期内，计数从1计数到N值，输出每一个计数值至所述减法器，即输出1-N值至所述减法器。所述减法器将所述锁存器输出的当前采样周期对应的写地址，分别与所述第二计数器输出的每一个计数值进行相减，得到所述N个电压值中每一个电压值在所述存储模块中的存储地址，并输出所述每一个电压值对应的存储地址至所述存储模块。即得到所述N个电压值在所述存储模块的读地址。根据所述每一个电压值对应的存储地址，在所述存储模块中读取对应的电压值。将所述N个电压值求平均，得到一实时基准电压值，所述基准电压是实时的，在当前采样周期时更新的。

将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压，并当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。根据本发明的一具体实施例中，所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第三计数器，所述第三计数器记录所述脉冲信号的个数，并当所述脉冲信号的个数为所述N值，生成一有效信号并发送至所述判断模块。所述判断模块接收到所述第三计数器发送的有效信号时，判断所述差值电压是否在一预设的阈值范围内，当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。当所述判断模块当判定所述差值电压不在所述阈值范围时，输出一告警信息。比如，当所述差值电压大于所述阈值范围时，输出一欠压告警信息。

根据该技术方案，不需要额外搭建硬件外围电压监测电路，实时监测芯片的电压，并当电压出现异常时，输出告警指示；给设备维护带来方便，可实现用户远程监测电压，节省了维护成本。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，所述系统包括：

设置模块，用于设置基准电压的采样周期数为N个；

采样模块，用于获取当前采样周期内的当前电压值；

均值模块，用于将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值；

运算模块，用于将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压；

判断模块，用于当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。

2.如权利要求2所述的基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，所述系统还包括模数转换模块和存储模块，其中，

所述模数转换模块将每一个采样周期的获取的模拟电压信号转换为数字电压值，并输出每一个采样周期对应的数字电压值至所述存储模块；

所述存储模块将接收到的每一个采样周期对应的数字电压值进行存储。

3.如权利要求2所述的基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，所述存储模块的存储容量大于所述N值。

4.如权利要求2所述的基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，所述系统还包括第一计数器，其分别与所述模数转换模块和存储模块相连接，其中，

所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第一计数器；

所述第一计数器对输入的每一个脉冲信号进行计数，生成每一个采样周期对应的写地址并发送至所述存储模块。

5.如权利要求4所述的基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，所述系统还包括锁存器和减法器，其中，

所述锁存器分别与所述模数转换模块和减法器相连接；

所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述锁存器；

所述第一计数器输出所述当前采样周期对应的写地址至所述锁存器；

所述锁存器输出所述当前采样周期对应的写地址至所述减法器。

6.如权利要求5所述的基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，所述系统还包括第二计数器，所述第二计数器分别与所述模数转换模块和所述减法器相连接，其中，

所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第二计数器；

所述第二计数器基于所述脉冲信号进行计数清零，基于自身高频时钟的自振开始计数，直至计数至所述N值，并输出每一个计数值至所述减法器。

7.如权利要求6所述的基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，所述减法器将所述锁存器输出的当前采样周期对应的写地址，分别与所述第二计数器输出的每一个计数值进行相减，得到所述N个电压值中每一个电压值在所述存储模块中的存储地址，并输出所述每一个电压值对应的存储地址至所述存储模块。

8.如权利要求2所述的基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，所述系统还包括第三计数器，其分别与所述模数转换模块和判断模块相连接，其中，

所述模数转换模块输出每一个采样周期对应的脉冲信号至所述第三计数器；

所述第三计数器记录所述脉冲信号的个数，并当所述脉冲信号的个数为所述N值，生成一有效信号并发送至所述判断模块。

9.如权利要求1所述的基于FPGA的电压监测系统，其特征在于，当所述判断模块判定所述差值电压不在所述阈值范围时，输出一告警信息。

10.一种如权利要求1-9任一所述的基于FPGA的电压监测系统的监测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、设置基准电压的采样周期数为N个；

S2、获取当前采样周期内的当前电压值；

S3、将所述当前采样周期前的N个采样周期所对应的N个电压值求平均，得到一实时基准电压值；

S4、将所述当前电压值与所述实时基准电压值进行差值运算，得到一差值电压，并当所述差值电压在一预设的阈值范围内时，判定所述当前实时电压工作正常。