CN205081473U - 基于dsp+fpga的双核逆变器模块通信系统的控制电路板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板，包括AD采样模块；所述AD采样模块与DSP处理器连接；所述DSP处理器与FPGA连接；所述FPGA与通信模块连接；所述通信模块与显示模块、辅助电源模块连接；所述辅助电源模块与FPGA、DSP处理器、AD采样模块、显示模块连接。本实用新型在保证主控制系统高速运行的前提下，减小了逆变器模块的体积，提供了较优的人机交互界面，为用户操作带来方便。

Description

基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板

技术领域

本实用新型涉及一种基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板。

背景技术

电能作为工业生产和人民生活不可或缺的资源，是衡量国民经济发展和国家资源建设的一个重要经济指标。随着国家电力网络的不断扩大，逐步实现了跨区供电和区域大电网的建设，因此，电力系统的安全、可靠以及经济运行等问题显得日益突出。电网中由用户需求产生的无功功率和谐波不仅降低了发电和输电的效率，同时也影响其他用户对电能质量的要求以及电力设备的可靠性，因此将无功功率和谐波作为电网经济运行的一项重要指标，对其进行有效合理的控制，对保持电网的稳定运行具有重要意义，随之诞生了STATCOM、APF等电能质量治理装置。

APF、STATCOM等并网逆变器作为动态补偿装置的发展方向，具有快速稳定的无功和谐波的调节能力，因此，控制系统设计的优劣显然是衡量其优越性的重要指标。对于他们的控制系统，一般从装置补偿（无功、谐波）电流控制要求、装置所发出的电流跟踪实际采样电流的能力、直流侧电压的稳定、功率开关管的损耗等方面入手，因而选择合适的控制电路板显得至关重要。此外，国内外以往的研究设计中，所制造的逆变器单元体积庞大、质量不轻便，在工业领域占用很大空间，局限了这些装置的应用范围，给工业生产造成诸多不便，因此，对逆变器进行模块化处理不仅有利于减小其体积和质量，节省更多的资源和空间，而且便于实现多台逆变器的并联和级联，便于维修和拆卸，使并网型逆变器模块应用于更多的工业领域。

此外，将逆变器系统模块化后，如果能实时观测逆变器的工作状态、工作性能和从电网采集的参数，更有利于操作人员及时对逆变器模块进行控制，也更便于及时发现故障等问题。因此，加入人机操作界面显得尤为重要，大多数的工业设计使用的是液晶显示屏和机械按键操作系统，控制系统采用双DSP核实现整体控制，但DSP内存有限，且实现双DSP互连系统时可能存在变成操作复杂等问题，而且运行速度一般。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板，包括AD采样模块；所述AD采样模块与DSP处理器连接；所述DSP处理器与FPGA连接；所述FPGA与通信模块连接；所述通信模块与显示模块、辅助电源模块连接；所述辅助电源模块与FPGA、DSP处理器、AD采样模块、显示模块连接。

所述AD采样模块包括调理模块和与所述调理模块连接的采样滤波模块。

所述DSP处理器采用TMS320F2812定点32位芯片。

所述FPGA采用EP2C8Q208型可编程逻辑元器件。

所述通信模块采用SN65HVD485ED芯片。

所述显示模块采用DMT48270T043_18W的4.3寸DGUS液晶屏。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型在保证主控制系统高速运行的前提下，减小了逆变器模块的体积，提供了较优的人机交互界面，为用户操作带来方便；可以采用本实用新型系统的DSP处理器处理和运算数据，FPGA则专门用来作通信和显示用，双核分工明确，既减少了DSP的工作量和工作负担，又极大程度地利用了FPGA强大的可编程逻辑功能优势，提高了整个控制系统的工作效率；采用具有高精度与高转换速度的芯片ADS8556进行采集模拟数据的A/D转换，并配置调理电路和二阶前级滤波电路，能方便的实现各类电能数据的采集，控制简单实用；基于TI公司的TMS320F2812核心DSP控制芯片，以其优越的运算能力以及成熟的工业应用，可十分便捷的完成相应系统的设计与开发，同时保证系统的高可靠性和快速性；采用Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208型FPGA芯片，通过在QuartusⅡ软件环境下建模，为实现DSP和液晶之间的通信搭建桥梁，主要实现DSP和FPGA之间的数据双向传输、FPGA与液晶之间的485通信（通过编程实现全双工），发挥FPGA强大的功能优势，加快了通信系统传输数据的效率，使各项电力数据可实时准确地显示于液晶屏上供用户操作；终端显示系统采用迪文DGUS液晶屏，满足了在苛刻工业条件下的使用要求，具有较强的抗电磁干扰能力，对经常用于恶劣操作环境下的并网逆变器具有极佳的显示效果；该类屏采用指令集控制显示，可适用于多种编程软件，扩大了应用领域，满足了不同层面用户的使用需求；集成了AD数据采样、各种通信模块以及辅助电源模块等的开发系统，能满足较完善的工业应用需求。基于该系统的核心控制系统，极大地提高了应用开发的效率；该基于双核通信系统的逆变器控制电路板对于多台模块化逆变器的并网实验和相关项目以及人机交互系统的优化设计具有深远的指导意义。

附图说明

图1为本实用新型结构框图；

图2为本实用新型AD采样功能模块图；

图3为本实用新型AD芯片管脚配置图；

图4图(a)表示DSP将数据传输给FPGA并在终端实时显示的通信结构图，图4(b)表示从终端键入数据并通过FPGA上传至DSP实施控制操作的通信结构图。

具体实施方式

本实验新型成功应用于三相两电平模块化有源滤波器（APF）实验装置平台，为了满足现有设备实际的采样需求，我们对AD芯片的扩展进行了灵活配置；本系统采用2块ADS8556进行直流侧电容电压、APF逆变侧输出电流、负载电流和相间电压等数据采样。选用的ADS8556为16位的高精度模数转换芯片，输入电压范围为正负10V，单块AD芯片可实现6路数据采集，从而本系统可实现多达12路的数据采集工作，满足了该装置实际控制的需求。

基于DSP+FPGA双核通信控制系统的整体结构框图如图1所示，DSP2812为控制系统的核心，以其强大的运算能力和抗外界干扰能力、大容量的可读写内存以及已经成熟的市场应用，成为本系统在进行电能变换和控制逆变器进行谐波补偿等功能时的一大优势；FPGA-EP2C8作为通信系统的核心，同时承担与DSP和迪文DGUS液晶屏的通信，通过图1所示的读写信号和片选信号，通过与DSP互连的地址线将DSP中的数据读入，并通过485通信将数据传给液晶屏，利用FPGA高于DSP的运算和响应能力、可灵活快速建模的性能，不仅能根据要求定义IO口的类型，利用平台提供的现有IP核（预置功能）实现高级控制和信号处理，而且为用户设计系统节约了时间，而且FPGA不会面临任务相互占取的风险，拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件，提高了系统运行时的稳定性，双核之中FPGA的使用是本实用新型的一项创新设计，相比以往大多数产品采用的双DSP核的设计，本控制电路板具有更高的运行效率和更快更稳定的通信速度，对于提高整个APF模块补偿功能具有重大意义。DSP和FPGA各引脚的功能和配置具体见两种芯片的数据手册和说明说而定。另外集成了高精度的AD转换芯片及相应的调理滤波电路，尤其是其可扩展性，能很好地满足多路信号的采集要求。电源和地部分主要包括两种数字电源，分别给双核的内核供电的1.8V数字电源和3.3V的I/O口数字电源，在电源模块稳定的供电条件下，保证控制系统的高效运行。

DSP采用的是美国TI公司生产的TMS320F2812定点32位芯片，拥有150MHz的flash结构，改型DSP核心支持特殊的IQ-math函式库，系统开发人员可以使用便宜的定点数来发展所需的浮点运算算法，由于其整合了CPU和微控制器的最佳特性，目前广泛用于数字控制和资料撷取I/O控制等领域。

FPGA采用的是美国ALTERA公司的CycloneII系列EP2C8Q208型的可编程逻辑元器件，该芯片具有8256个宏单元，18个乘法器，供用户使用的IO口数最大可达139个，并且拥有外围4Banks×1M×16bits的大容量SDRAM和16bits的Flash存储单元可供使用，功能强大，常利用QuartusⅡ进行建模编程。

实现RS485通信采用美国TI公司的SN65HVD485ED芯片，采用5V电源供电，运行时的动态电流低于2mA，采用半双工通讯，数据传输速率高达10Mbps；FPGA与该485芯片的通信连接采用6N137型号的单通道高速光耦合器，转换速率也达10Mbps，具有高的输入输出隔离，且输入电流极小，仅5mA。

液晶触摸显示屏采用北京迪文公司生产的型号为DMT48270T043_18W的4.3寸DGUS液晶屏，像素为480×272，H600内核，16.7M色，485和232通信均可适用，工作电压为6~42V直流电，功耗2.4W，适用于苛刻工业环境中，界面设计简单方便且有专门的烧图软件，该DGUS屏具有大容量的图片存储空间，可保存869幅全屏图片。该触摸屏采用指令集控制系统，只需对该屏传输相应的指令代码即可控制其相应的显示内容，因此扩大了适用范围，可在不同软件的操作下使用。

给FPGA内核供电的电源采用AMS1117-1.2型号的正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V，因其内部集成过热保护和限流电路而成为低压稳压电源的最佳选择，外部IO口供电采用TPS75733电压转换芯片，将5V电压转化为3.3V供电电压，该芯片转换速度快且具有热关断保护，功耗低；DSP的内核供电电源采用TPS76818电压转换芯片，与TPS75733具有相同的优良性能，IO口采用TPS75733电压转换芯片；用于RS485通信的光耦芯片6N137的5V供电电压由直流电压转换器WRB2405YMD-6W提供，该转换器散热性能好，输出的直流电压脉动小且电磁兼容(EMC)性能良好，输入24V，输出为5V直流稳定供电。

AD采样功能模块图如图2所示，AD采集的几个电网量在进入数模转换通道前先经过了AD调理电路和采样滤波电路进行处理。图中调理电路的第一个电阻R是为了将输入的电流量转化为电压量，R1和C1为一阶低通滤波电路，针对电网量的特性，设计时分别采用k级电阻和pF级电容，由放大器LM324作电压跟随器，实现前级低通滤波器功能；后级采样滤波电路为了使模块APF的补偿效果更好，充分滤除更高次谐波的干扰，防止高次谐波进入AD芯片，这里采用二阶R2和C2构成的低通滤波电压跟随系统，设计时分别采用k级电阻和uF级电容。

AD采样模块由DSP和FPGA的片选信号CS1、CS2和CS3对译码器芯片实现选通，通过地址位信息经译码选通所需AD采样芯片，AD芯片采样完成标志位BUSY1和BUSY3经逻辑处理后分别送回DSP和FPGA中，此模块实现原理简单，可实现高效采样，且十分便于扩展；基于可编程FPGA的通信模块包括的器件主要有RS485COM（包括6N137光耦合器）以及SN65HVD32，可根据现场要求与人机操作界面实现RS485通信，可编程FPGA采用EP2C8Q208C8N芯片，利用该复杂可编程逻辑器件，可方便设计各种集成数字逻辑电路，本系统主要利用其实现FPGA与DSP之间的数据双向传输和FPGA对电网系统的采样等逻辑部分设计；液晶触摸显示屏模块是FPGA与液晶屏之间的通信，FPGA采用基于485差分方式的串口通信协议将指令传输给液晶实现相关功能，达到正确显示的目的，同时通过触摸功能也能将数据从屏幕传给FPGA从而实现全双工满足设备的通信要求；该系统的电源辅助模块选用AMS1117、TPS75733和TPS76818和WRB2405YMD-6W实现标准的电源转换及稳压，满足系统设计所需的不同类型的电源要求。

ADS8556是高度集成的6通道、16位逼近型ADC，每通道的采样率可达250KSPS,包含低噪声、宽带采样保持放大器，以便处理输入频率高达8MHz的信号，且功耗比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60%。其输入信号范围是±10V，避免了抬压电路所带来的误差，简化了信号调理电路。

ADS8556的管脚配置如图3所示，其主要功能引脚都进行了标注。启动转换的信号CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC和片选信号CS#统一由DSP或FPGA发送过来的CONVST和CS信号启动，RD信号发送给DSP读取数据，而从FPGA接收RD#信号读取AD转换的16位数据，BUSY信号从AD芯片传输至DSP和FPGA中提示转化完成可进行数据读取操作。根据数据手册的时序图可知，启动转换信号CONVST被拉高时才开始进行AD处理，在进行AD转化的过程中CONVST信号要始终保持高电平；BUSY信号由低被拉高时表示正在转换，出现下降沿时表示转换完成，此时6个输出寄存器内已保存了转化好的数据待读出，这里值得注意的是，BUSY被拉高时只能进行当前通道数据的AD转换，此时不能从通道中传输新的数据；CS信号和RD#信号都是低有效，控制这两个信号可对AD转换数据进行读取，在DSP和FPGA的程序设置中可令CS信号始终为低，对RD的操作可如下进行：要读一个通道的数据时，将RD#拉低，读完后拉高表示锁存，要读下一个通道时再置低，读入后置高，这样可以防止逻辑错乱而导致各通道的数据误读出。ADS8556通过16位数据位与DSP和FPGA相连进行数据传输，另外该AD需要的电源电平较多，如±15V、+5V和+3.3V。

DSP-FPGA-DGUS液晶屏系统的通信模块框图如图4（a）和图4（b）所示，从原理图中可知，三者之间的信息传输是双向的，即DSP可将数据通过FPGA传递至终端液晶屏显示，用户通过终端液晶触摸屏输入数据，该数据亦可经由FPGA传递至DSP控制系统进行相关操作，图4（a）和图4（b）的两个通信图分别为上述的数据传递的两个双向方向。DSP与FPGA通过16根数据线和9根地址线（0~19位的地址总线只用了其中的10~18位地址线）进行通信，分别对应图中的D[0..15]和Address[10..18]，DSP芯片有专门的读/写访问外部设备的读/写选通信号XRD/XWE，和片选信号CS（本控制板设计为选通Zone6和Zone7，因而外连管脚为XZCS6ANDCS7#）与FPGA相连；FPGA与DGUS液晶通过485差分通信口连接，通信方式为串口通信，由于485通信比232通信稳定且串口通信抗外界干扰尤其是电磁干扰能力强，因而本控制板选用485通信。当DSP将AD转化输出的数据传递至终端液晶时，XWE写选通信号有效，DSP将数据和对应的地址口通过数据总线和地址总线传给FPGA，例如：APF直流侧电容电压保存在地址位为0x00800的寄存器中，A相逆变侧输出电流保存在地址位为0x00c00的寄存器中，FPGA将相应的数据分别从相应的寄存器中读入FPGA的内部RAM，从RAM中读出要显示的数据，通过485通信接口485A和485B将数据逐位传给液晶屏，在QuartusⅡ环境下定义tx_control模块控制激活其发送功能，如图所示，在终端上显示直流侧电压、逆变侧输出的补偿电流、IGBT模块的温度等数据；同理，用户从终端界面键入数据控制DSP的运行，由于迪文DGUS液晶触摸屏具有触摸键值自动上传至485通信口的功能，因而该键值传递至FPGA，FPGA通过定义rx_control模块控制激活其接收功能，键值逐位传递，FPGA将返回的键值送入DSP对应的地址口，DSP程序接收到该数据实现相应的功能，如图所示，用户在液晶界面键入开关机和开始、关闭补偿的操作，DSP会控制IGBT开关进行直流侧PWM整流和逆变侧发出补偿电流等操作，虽然RS485是半双工通信，但通过在FPGA中的建模编程实现全双工通信，即系统执行发送指令时，接收功能处于等待阶段，当接收指令的标志位使能时，系统即可关闭发送功能，启动接收指令，这样的设计，既满足装置的控制要求，又保证通信系统的稳定运行。

Claims (6)

1.一种基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板，其特征在于，包括AD采样模块；所述AD采样模块与DSP处理器连接；所述DSP处理器与FPGA连接；所述FPGA与通信模块连接；所述通信模块与显示模块、辅助电源模块连接；所述辅助电源模块与FPGA、DSP处理器、AD采样模块、显示模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板，其特征在于，所述AD采样模块包括调理模块和与所述调理模块连接的采样滤波模块。

3.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板，其特征在于，所述DSP处理器采用TMS320F2812定点32位芯片。

4.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板，其特征在于，所述FPGA采用EP2C8Q208型可编程逻辑元器件。

5.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板，其特征在于，所述通信模块采用SN65HVD485ED芯片。

6.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的双核逆变器模块通信系统的控制电路板，其特征在于，所述显示模块采用DMT48270T043_18W的4.3寸DGUS液晶屏。