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        基于FPGA的一種船用通信數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)

        2014-02-27 02:11:16隋波陳玉林
        船電技術(shù) 2014年7期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        隋波 , 陳玉林 , 高 嵬

        基于FPGA的一種船用通信數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)

        隋波1, 陳玉林2, 高 嵬2

        (1. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室, 遼寧大連; 2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院, 武漢 430033)

        本文針對船用通信系統(tǒng)存在干擾的問題,設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的數(shù)字控制電路,該電路可有效防止干擾,能很好的確保艦艇通信系統(tǒng)的正常工作。

        FPGA 數(shù)字通信電路

        0 引言

        在所有數(shù)字元件中,F(xiàn)PGA發(fā)揮著控制核心的重要作用,具體包括:實(shí)現(xiàn)高速光纖通訊功能、多級有源門極驅(qū)動算法、故障保護(hù)邏輯、數(shù)字信號處理等。船用通信系統(tǒng)由于干擾嚴(yán)重,長期以來只能通過笨重的濾波裝置進(jìn)行濾波,采用數(shù)字控制電路,可以有效的防止干擾,確保通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖1顯示了FPGA及其外圍電路結(jié)構(gòu)。

        1 FPGA數(shù)字電路的要求

        在中大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動器中,以FPGA為核心的數(shù)字電路必須符合如下要求:

        1)快速的運(yùn)算能力和較小的延時。IGBT的開通和關(guān)斷過程在μ秒級[1],而驅(qū)動器要在IGBT開通和關(guān)斷的暫態(tài)過程中對IGBT的某些參數(shù)進(jìn)行改變和控制。而且,欲調(diào)控這些參數(shù),首先要通過監(jiān)測電路中獲取這些參數(shù)的當(dāng)前值,再通過FPGA的運(yùn)算處理,將結(jié)果輸出至外電路,再作用于欲改變的電路。所以,必須盡可能減少FPGA的運(yùn)算時間,一方面可以通過優(yōu)化載入的FPGA的處理程序,一方面就需要提高FPGA的時鐘頻率,增加其運(yùn)算速度。

        2)較小的三維尺寸。小型化是電力電子器件發(fā)展趨勢之一,盡量減小驅(qū)動板的大小對變流器系統(tǒng)整體小型化有十分重要的作用。FPGA是驅(qū)動板中最大的數(shù)字器件,它的大小是決定整個驅(qū)動板大小的重要因素。此外,小的FPGA有利于驅(qū)動板中其它元件的布局,并為更多的輔助電路提供空間。

        3)較好的電磁兼容性能。驅(qū)動板必須考慮變流器系統(tǒng)內(nèi)惡劣的電磁環(huán)境,其自身也存在強(qiáng)弱電緊耦合,且要完成高速光纖通訊功能,因此電磁兼容性必須加以考慮。

        4)豐富的接口電路。FPGA及數(shù)字電路內(nèi)存在多種接口需求,如電源、時鐘、I/O、模擬接口等,所以數(shù)字電路必須能夠滿足這些接口需求。

        2 數(shù)字控制電路的設(shè)計(jì)

        綜合考慮以上因素,本設(shè)計(jì)最終采用ALTERA公司的EP2C20F256I7N型FPGA,此型號FPGA能夠較好的滿足上述四點(diǎn)要求。EP2C20F256I7N型FPGA的運(yùn)算速度可達(dá)百兆Hz,即時鐘周期可達(dá)n秒級,能夠較好的滿足驅(qū)動板對處理速度的要求。16 mm×16 mm、BGA封裝,占用的面積比較小,引腳數(shù)為16×16,共256個引腳,可以完全滿足驅(qū)動板外圍電路對FPGA對其引腳的要求。其存儲容量也較大,預(yù)計(jì)能夠存儲所需要的各種程序。

        同時,EP2C20F256I7N型FPGA應(yīng)用于IGBT數(shù)字驅(qū)動器也存在一些不足,包括:

        (1)所需要的電源種類較多,需要較多的電壓轉(zhuǎn)換芯片提供所需的電源電壓。EP2C20F256I7N型FPGA需要電壓值為3.3 V和1.2 V兩種不同的電源,而且1.2V電源需要分成三個相對獨(dú)立的電源為FPGA供電。這一方面使驅(qū)動板需要分出更多區(qū)域給電源芯片,另一方面,也為PCB設(shè)計(jì)中電源分區(qū)帶來了一定的困難。

        (2)EP2C20F256I7N型FPGA為BGA封裝,而BGA封裝更易受環(huán)境中EMI的影響。在中大功率IGBT的應(yīng)用場合,一般都存在較強(qiáng)的電磁干擾,這使得驅(qū)動板的安全運(yùn)行受到一定的威脅。而且BGA封裝的FPGA引腳全部在FPGA的底部,在PCB制作過程中,需要精心考慮FPGA引腳布線,為驅(qū)動板設(shè)計(jì)來來了一定的困難。

        (3)FPGA的輸入輸出端口為3.3 V電壓,即高電平3.3 V有效,相對與5 V電壓來說,3.3 V電壓較低,更容易受到驅(qū)動板電路中各種干擾的影響,降低了FPGA接受反饋信號和發(fā)出的控制指令的可靠性。

        四、數(shù)字控制電路的功能簡介

        如圖1,F(xiàn)PGA的配置電路包括:晶振電路,程序下載電路,系統(tǒng)復(fù)位電路,光纖通訊接口等四部分。

        晶振電路為FPGA提供所需的時鐘周期,本設(shè)計(jì)中,晶振設(shè)計(jì)如圖2所示。電路中3.3 V電源為晶振電路供電,端口CLK0~CLK3連接至FPGA為FPGA提供時鐘周期,之所以提供四路,是為了提供備份時鐘周期。圖示晶振電路可輸出50MHz的時鐘周期,如需要更高頻率的時鐘周期,可以通過鎖相環(huán)提供。

        在實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中,會用到系統(tǒng)復(fù)位功能,本設(shè)計(jì)采用如圖3電路為FPGA提供復(fù)位信號。SYS_RESET將復(fù)位信號輸出至FPGA端口。

        FPGA通過AS下載口并通過EPC配置芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動程序的加載,利用JATAG端口實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。這里不加贅述。

        在驅(qū)動板工作過程中,需要從系統(tǒng)主控器中得到控制指令,同時也需要將IGBT運(yùn)行狀態(tài)、故障信號上傳至系統(tǒng)主控器,這就需要實(shí)現(xiàn)FPGA與主控器的通訊功能基于隔離的需要和傳輸速度的考慮,本設(shè)計(jì)采用光纖設(shè)備實(shí)現(xiàn)FPGA與系統(tǒng)主控器的通訊功能。目前僅用于實(shí)驗(yàn),所以在電路中只使用了接受光纖端口HFBR2412T,用于接收實(shí)驗(yàn)時發(fā)出的控制命令,其電路如圖4。輸出端TF_RECEIVE將光纖端口接受到的控制指令發(fā)送至FPGA,之所以使用3.3 V電源,是因?yàn)镕PGA的I/O口使用的是3.3 V電源,光纖端口需要與其一致。FPGA有多路I/O端口與驅(qū)動板其它電路相連,主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)字化的IGBT狀態(tài)信號,發(fā)送控制指令等。

        3 結(jié)論

        針對船用通信系統(tǒng)干擾源多的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的數(shù)字電路,該電路不僅能實(shí)現(xiàn)原有模擬電路的全部功能,還對干擾不敏感,具有較好的抗干擾效果。

        [1] Schmitt G, Kennel R. Voltage gradient limitation of IGBTs by optimised gate-current pro?les[C].Power Electronics Specialists Conference.Rhodes: IEEE, 2008: 3592-3596.

        A Digital Circuit Design for Communication Controlling in Vessels Based on FPGA

        Sui Bo1, Chen Yulin2, Gao Wei2

        (1. Naval Representatives office in Dalian, Dalian116021, Liaoning,China; 2. The School of Electric Engineering , NUE, Wuhan 430033, China)

        TN919

        A

        1003-4862(2014)07-0042-02

        2014-04-02

        隋波(1980-),男,工程師。研究方向:艦船監(jiān)造。

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