CN114915352A - 一种基于fpga的pwm调制解调控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，包含FPGA模块、PWM调制解调模块、电源模块、滤波电路、DC/DC转换器、开关稳压电路、采样电路，所述电源模块的输出端连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接DC/DC转换器的输入端，DC/DC转换器的输出端连接开关稳压电路的输入端，开关稳压电路的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接FPGA模块的输入端，FPGA模块的输入端连接PWM调制解调模块的输入端，PWM调制解调模块的输出端连接开关稳压电路的输入端。本发明通过FPGA控制器和PWM调制解有效的提高输出电源的稳定性。

Description

一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统

技术领域

本发明涉及PWM调制解调控制技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统。

背景技术

随着5G通信的迅速发展和应用，随着手机、智能手表等移动设备的快速发展，无线充电技术的发展已经冲理论研究层面逐步走向商业化。近年来，人们对于手机的依赖性越来越强，手机不断好点的同时急需快速充电，因此催生了无线快速充电技术的研究和商业化应用。

在传统的无线传输系统中，发射功率通常通过变频或者定频调占空比的方式进行调节。这种方式由于其不断变化的频率或占空比，可能会对充电设备造成干扰，使得充电设备的充电效率差且充电过程不稳定。

随着社会飞速前进，用电设备与日俱增。但电力输配设施的老化和发展滞后，以及设计不良和供电不足等原因造成末端用户电压的过低，而线头用户则经常电压偏高。不稳定的电压会给设备造成致命伤害或误动作，影响生产，造成交货期延误、质量不稳定等多方面损失。同时加速设备的老化、影响使用寿命甚至烧毁配件，使业主面临需要维修的困扰或短期内就要更新设备，浪费资源；严重者甚至发生安全事故，造成不可估量的损失。现实的生活和实验中，常常要用到各种各样的电源，电压要求多样。

如何设计一个电压稳定，输出电压精度高，并且调节范围大的电源电路，成了电子技术应用的热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，其有效的提高输出电源的稳定性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，包含FPGA模块、PWM调制解调模块、电源模块、滤波电路、DC/DC转换器、开关稳压电路、采样电路，所述电源模块的输出端连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接DC/DC转换器的输入端，DC/DC转换器的输出端连接开关稳压电路的输入端，开关稳压电路的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接FPGA模块的输入端，FPGA模块的输入端连接PWM调制解调模块的输入端，PWM调制解调模块的输出端连接开关稳压电路的输入端。

作为本发明一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统的进一步优选方案，所述FPGA模块包含高稳晶振模块、FPGA主控模块、USB传输模块、串口模块、数据处理中心、USB接口、千兆网接口和HDMI接口，所述高稳晶振模块与FPGA主控模块连接，所述FPGA主控模块分别经过SB传输模块、串口模块连接数据处理中心，所述USB接口、千兆网接口和HDMI接口分别与数据处理中心连接。

作为本发明一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统的进一步优选方案，所述高稳晶振模块包含控制芯片OEM_719、电阻R79、电容C12、电容C67和电容C68，控制芯片OEM_719的5接口分别连接电阻R79和电容C12的一端，电阻R79的另一端连接VCC；控制芯片OEM_719的13接口分别连接电容C12的另一端和接地；控制芯片OEM_719的10、16和18接口接地。控制芯片OEM_719的2接口分别连接电容C67、电容C68的一端以及VCC，电容C67、电容C68的另一端接地。

作为本发明一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统的进一步优选方案，所述FPGA模块采用Xilinx公司的Artix-7系列FPGA为主控芯片，主要完成千兆网、USB3.0、HDMI信号接口的处理，AD转换控制及数据传输、时间基准建立、编码器数据同步任务，通过接插件与接口板对扣连接。

作为本发明一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统的进一步优选方案，所述PWM调制解调模块包含PWM调制模块、PWM解调模块、同步单元模块，所述PWM调制模块通过同步单元模块连接PWM解调模块。

作为本发明一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统的进一步优选方案，所述滤波电路包含电阻R9和电容C9，所述DC/DC转换器包含电压输入VIN端、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C10、电感L1、芯片FR9885、电压输出VDCDC端；

其中，电源模块的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端分别连接电容C9的一端和电阻R7的一端，电容C9的另一端接地；电压输入VIN端分别连接电容C1的一端、电容C2的一端和芯片FR9885的VIN端，电容C1的另一端分别连接电容C2的另一端、电容C3的一端和芯片FR9885的GND端并接地，电容C3的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接芯片FR9885的SHDN端，芯片FR9885的BST端连接电容C10的一端，电容C10的另一端分别连接芯片FR9885的LX端和电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接电阻R2的一端、电容C5的一端、电容C6的一端、电容C7的一端、电容C8的一端和电压输出VDCDC端，电容C5的另一端分别连接电阻R2的另一端、电阻R3的一端、电阻R7的另一端和芯片FR9885的FB端，电阻R3的另一端接地，电容C6的另一端分别连接电容C7的另一端和电容C8的另一端并接地。

作为本发明一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统的进一步优选方案，工作过程如下：

第一步，电源模块开启后输出电压，由于电源本身的限制此时的输出电压并不稳定且含有谐波分量；第二步，滤波器衰减来自电源模块输出电压中的高频分量；第三步，DC/DC转换器进一步稳定来自上一级滤波器的电压；第四步，开关稳压电路将来自DC/DC转换器的电压传送给采样电路；第五步，采样电路将接收的模拟电压进行模数转换变为基带信号发送给FPGA；第六步，FPGA选择两个不同的采样点数值进行比较并输出差值，如果差值低于预设门限则不向PWM调制解调模块输送控制信号，相反如果差值高于门限值则FPGA将根据差值的大小映射成对应的控制信号发送给PWM调制解调模块；第七步，PWM调制解调模块接收到来自FPGA的控制信号后通过控制开关稳压电路开关组的闭合逻辑来实现控制稳压电路输出的目的；第八步，如果电源模块的输出电压不变则重复第四到第七步骤；如果电源模块的输出电压改变则启动第一步到第八步。

本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：1)FPGA芯片和采样电路可以集成在一块电路板上从而减少信号传输损耗和泄露造成的干扰，同时由于集成后的电路板尺寸较小重量轻很适合使用在对空间和重量限制比较严苛机载通信系统上。2)FPGA模块拥有对外接口，上位机可以通过千兆网、USB3.0、HDMI三个接口以及数据处理中心实现对FPGA芯片的远程或者近端控制，同时FPGA也可以将状态信息通过对外接口上报给上位机用于实时观测或者存储。3)通过Xilinx公司FPGA芯片强大的基带信号处理能力来输出幅度、相位以及占空比精确的信号，从而达到精准控制PWM输出的目的，此外FPGA芯片还具有灵活的编程和参数控制能力，如可以加入数字低通滤波器来有效提高电磁兼容能力，这一点对于高频通信系统来说至关重要，所以基于FPGA实现电源控制方案是单片机芯片或者其它方案所无法比拟，可以使用在要求较高的军工机载通信系统上。4)采样电路可以通过AD9361系列芯片实现，该芯片可以实现多路12位及以上位宽来实现高速而精确的采样从而实现接近无抖动的高速数模和模数转换，进而为FPGA输入足够平稳和精度的采样信号同时也可以将FPGA输出的基带信号做无失真的数模变换来实现精确快速控制PWM调制解调模块的目的。

附图说明

图1是本发明一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统的结构原理图。

图2是本发明FPGA模块的结构原理图。

图3是本发明高稳晶振模块的电路图。

图4是本发明PWM调制解调模块的结构原理图。

图5是本发明滤波电路的电路图.

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，如图1所示，包含FPGA模块、PWM调制解调模块、电源模块、滤波电路、DC/DC转换器、开关稳压电路、采样电路，所述电源模块的输出端连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接DC/DC转换器的输入端，DC/DC转换器的输出端连接开关稳压电路的输入端，开关稳压电路的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接FPGA模块的输入端，FPGA模块的输入端连接PWM调制解调模块的输入端，PWM调制解调模块的输出端连接开关稳压电路的输入端。

控制系统的工作过程为：第一步，电源模块开启后输出电压，由于电源本身的限制此时的输出电压并不稳定且含有谐波分量；第二步，通过RC低通滤波器衰减来自电源模块输出电压中的高频分量；第三步，DC/DC转换器进一步稳定来自上一级滤波器的电压；第四步，开关稳压电路将来自DC/DC转换器的电压传送给采样电路；第五步，采样电路将接收的模拟电压进行模数转换变为基带信号发送给FPGA；第六步，FPGA选择两个不同的采样点数值进行比较并输出差值，如果差值低于预设门限则不向PWM调制解调模块输送控制信号，相反如果差值高于门限值则FPGA将根据差值的大小映射成对应的控制信号发送给PWM调制解调模块；第七步，PWM调制解调模块接收到来自FPGA的控制信号后通过控制开关稳压电路开关组的闭合逻辑来实现控制稳压电路输出的目的；第八步，如果电源模块的输出电压不变则重复第四到第七步骤；如果电源模块的输出电压改变则启动第一步到第八步。

各个模块的设计和工作原理如下：

(1)FPGA模块拥有强大的基带信号处理能力同时可以输出幅度和相位稳定以及占空比精确的控制信号，从而达到精准控制PWM模块输出的目的，此外FPGA芯片还具有灵活的编程和参数控制能力，如可以加入数字低通滤波器来有效提高电磁兼容能力。同时数据中心或者上位机可以通过千兆网、USB3.0、HDMI信号接口向FPGA传送指令和参数达到灵活控制FPGA的输出信号的目的。

更进一步的，如图2所示，所述FPGA模块包含高稳晶振模块、FPGA主控模块、USB传输模块、串口模块、数据处理中心、USB接口、千兆网接口和HDMI接口，所述高稳晶振模块与FPGA主控模块连接，所述FPGA主控模块分别经过USB传输模块、串口模块连接数据处理中心，所述USB接口、千兆网接口和HDMI接口分别与数据处理中心连接。

进一步的，如图3所示，所述高稳晶振模块包含控制芯片OEM_719、电阻R79、电容C12、电容C67和电容C68，控制芯片OEM_719的5接口分别连接电阻R79和电容C12的一端，电阻R79的另一端连接VCC；控制芯片OEM_719的13接口分别连接电容C12的另一端和接地；控制芯片OEM_719的10、16和18接口接地。控制芯片OEM_719的2接口分别连接电容C67、电容C68的一端以及VCC，电容C67、电容C68的另一端接地；本发明高稳晶振模块由于高稳晶振短期稳定性好。整个高稳晶振模块外部通过3.3V供电，C67和C68为靠近芯片端的滤波电容，以保证输入到晶振模块的电源稳定可靠，R79和C12组成一个简单的RC复位电路，以确保在3.3V电源在达到稳定前高稳晶振模块处于复位之中，避免波动的电源对模块造成损坏。

作为一种优选实施方式，换控制及数据传输、高精度时间基准建立、编码器数据同步采集等核心任务，通过接插件FPGA模块可采用Xilinx公司的Artix-7系列FPGA为主控芯片，主要完成千兆网、USB3.0、HDMI信号接口的处理，AD转与接口板对扣连接。

(2)采样电路可通过AD9361系列芯片来实现的，该芯片可以实现多路12位及以上位宽高速而精确的采样，以及接近无抖动的高速数模和模数转换，为FPGA输入足够平稳和精度的采样信号，同时也可以将FPGA输出的基带信号做无失真的数模变换，达到精确快速控制PWM调制解调模块的目的。

(3)PWM调制解调模块可向开关稳压电路输入信号来控制其开关从而实现动态调整电压输出的目的，此外由于开关稳压电路省去了工频变压器，所以其体积和质量都大大减小。如图4所示，PWM调制解调模块包含PWM调制模块、PWM解调模块、同步单元模块，所述PWM调制模块通过同步单元模块连接PWM解调模块。可采用脉冲宽度对数据进行编码，并保证含时钟周期上升沿，将时钟信号嵌入到编码后的数据中，这样在接收端很容易以传统的PLL恢复出时钟。可用PLLVC输出来解调PWM编码信号，这样电路只需一个PLL。由于接收信号每个周期都有上升沿，避免了数据格式不同引起的幅度和相位偏移。

(4)如图5所示，滤波电路包含电阻R9和电容C9，DC/DC转换器包含电压输入VIN端、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C10、电感L1、芯片FR9885、电压输出VDCDC端；

其中，电源模块的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端分别连接电容C9的一端和电阻R7的一端，电容C9的另一端接地；电压输入VIN端分别连接电容C1的一端、电容C2的一端和芯片FR9885的VIN端，电容C1的另一端分别连接电容C2的另一端、电容C3的一端和芯片FR9885的GND端并接地，电容C3的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接芯片FR9885的SHDN端，芯片FR9885的BST端连接电容C10的一端，电容C10的另一端分别连接芯片FR9885的LX端和电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接电阻R2的一端、电容C5的一端、电容C6的一端、电容C7的一端、电容C8的一端和电压输出VDCDC端，电容C5的另一端分别连接电阻R2的另一端、电阻R3的一端、电阻R7的另一端和芯片FR9885的FB端，电阻R3的另一端接地，电容C6的另一端分别连接电容C7的另一端和电容C8的另一端并接地。

DC/DC转换器是改变输入电压并有效输出固定电压的电压转化器，采用同步降压型转换器，该DCDC具有外部使能控制功能，当SHDN引脚拉低时DCDC不使能，当DCDC拉高时DCDC使能，图4中，L1为储能电感，C1、C2、C3为输入端滤波电容，C6、C7、C8为输出端滤波电容，R1为使能端上拉电阻，确保DCDC上电一直处于工作状态，R2和R3为分压电阻，决定输出电压的大小，电容C5主要是用来提高输出端的动态响应能力，C10为芯片的自举电容，当C10上的电容低于要求的最小值时芯片关断；R7与反馈电流形成反馈电压，实时监测输出电压的波动状态。滤波电路由简单的电阻和电容组成，本质上是低通滤波器，电阻值和电容值的选择取决于PWM波的一次谐波分量，为了及时响应接收功率请求，FPGA需要相应地调整PWM波的占空比以及增加或减少接收功率，电源模块的PWM输出引脚需要经过滤波电路后连接至DC/DC反馈引脚，其直接利用MCU内集成的PWM功能模块控制DC/DC的输出端分压反馈电路。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，其特征在于，包含FPGA模块、PWM调制解调模块、电源模块、滤波电路、DC/DC转换器、开关稳压电路、采样电路，所述电源模块的输出端连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接DC/DC转换器的输入端，DC/DC转换器的输出端连接开关稳压电路的输入端，开关稳压电路的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接FPGA模块的输入端，FPGA模块的输入端连接PWM调制解调模块的输入端，PWM调制解调模块的输出端连接开关稳压电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，其特征在于，所述FPGA模块包含高稳晶振模块、FPGA主控模块、USB传输模块、串口模块、数据处理中心、USB接口、千兆网接口和HDMI接口，所述高稳晶振模块与FPGA主控模块连接，所述FPGA主控模块分别经过USB传输模块、串口模块连接数据处理中心，所述USB接口、千兆网接口和HDMI接口分别与数据处理中心连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，其特征在于，所述高稳晶振模块包含控制芯片OEM_719、电阻R79、电容C12、电容C67和电容C68，控制芯片OEM_719的5接口分别连接电阻R79和电容C12的一端，电阻R79的另一端连接VCC；控制芯片OEM_719的13接口分别连接电容C12的另一端和接地；控制芯片OEM_719的10、16和18接口接地。控制芯片OEM_719的2接口分别连接电容C67、电容C68的一端以及VCC，电容C67、电容C68的另一端接地。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，其特征在于，所述FPGA模块采用Xilinx公司的Artix-7系列FPGA为主控芯片，完成千兆网、USB3.0、HDMI信号接口的处理，AD转换控制及数据传输、时间基准建立、编码器任务，通过接插件与接口板对扣连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，其特征在于，所述PWM调制解调模块包含PWM调制模块、PWM解调模块、同步单元模块，所述PWM调制模块通过同步单元模块连接PWM解调模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，其特征在于，所述滤波电路包含电阻R9和电容C9，所述DC/DC转换器包含电压输入V_IN端、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C10、电感L1、芯片FR9885、电压输出V_DCDC端；

其中，电源模块的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端分别连接电容C9的一端和电阻R7的一端，电容C9的另一端接地；电压输入V_IN端分别连接电容C1的一端、电容C2的一端和芯片FR9885的VIN端，电容C1的另一端分别连接电容C2的另一端、电容C3的一端和芯片FR9885的GND端并接地，电容C3的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接芯片FR9885的SHDN端，芯片FR9885的BST端连接电容C10的一端，电容C10的另一端分别连接芯片FR9885的LX端和电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接电阻R2的一端、电容C5的一端、电容C6的一端、电容C7的一端、电容C8的一端和电压输出V_DCDC端，电容C5的另一端分别连接电阻R2的另一端、电阻R3的一端、电阻R7的另一端和芯片FR9885的FB端，电阻R3的另一端接地，电容C6的另一端分别连接电容C7的另一端和电容C8的另一端并接地。

7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的PWM调制解调控制系统，其特征在于，工作过程如下：

第一步，电源模块开启后输出电压，由于电源本身的限制此时的输出电压并不稳定且含有谐波分量；第二步，滤波器衰减来自电源模块输出电压中的高频分量；第三步，DC/DC转换器进一步稳定来自上一级滤波器的电压；第四步，开关稳压电路将来自DC/DC转换器的电压传送给采样电路；第五步，采样电路将接收的模拟电压进行模数转换变为基带信号发送给FPGA；第六步，FPGA选择两个不同的采样点数值进行比较并输出差值，如果差值低于预设门限则不向PWM调制解调模块输送控制信号，相反如果差值高于门限值则FPGA将根据差值的大小映射成对应的控制信号发送给PWM调制解调模块；第七步，PWM调制解调模块接收到来自FPGA的控制信号后通过控制开关稳压电路开关组的闭合逻辑来实现控制稳压电路输出的目的；第八步，如果电源模块的输出电压不变则重复第四到第七步骤；如果电源模块的输出电压改变则启动第一步到第八步。

Images