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(duì)船用通信系統(tǒng)存在干擾的問(wèn)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(jí)有源門極驅(qū)動(dòng)算法、故障保護(hù)邏輯、數(shù)字信號(hào)處理等。船用通信系統(tǒng)由于干擾嚴(yán)重，長(zhǎng)期以來(lái)只能通過(guò)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(dòng)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(shí)。IGBT的開通和關(guān)斷過(guò)程在μ秒級(jí)[1]，而驅(qū)動(dòng)器要在IGBT開通和關(guān)斷的暫態(tài)過(guò)程中對(duì)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(guò)監(jiān)測(cè)電路中獲取這些參數(shù)的當(dāng)前值，再通過(guò)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(shí)間，一方面可以通過(guò)優(yōu)化載入的FPGA的處理程序，一方面就需要提高FPGA的時(shí)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(shì)之一，盡量減小驅(qū)動(dòng)板的大小對(duì)變流器系統(tǒng)整體小型化有十分重要的作用。FPGA是驅(qū)動(dòng)板中最大的數(shù)字器件，它的大小是決定整個(gè)驅(qū)動(dòng)板大小的重要因素。此外，小的FPGA有利于驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(hào)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(shí)鐘周期可達(dá)n秒級(jí)，能夠較好的滿足驅(qū)動(dòng)板對(duì)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(gè)引腳，可以完全滿足驅(qū)動(dòng)板外圍電路對(duì)FPGA對(duì)其引腳的要求。其存儲(chǔ)容量也較大，預(yù)計(jì)能夠存儲(chǔ)所需要的各種程序。

同時(shí)，EP2C20F256I7N型FPGA應(yīng)用于IGBT數(shù)字驅(qū)動(dòng)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(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源為FPGA供電。這一方面使驅(qū)動(dòng)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(lái)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(chǎng)合，一般都存在較強(qiáng)的電磁干擾，這使得驅(qū)動(dòng)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(guò)程中，需要精心考慮FPGA引腳布線，為驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)來(lái)來(lái)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(duì)與5 V電壓來(lái)說(shuō)，3.3 V電壓較低，更容易受到驅(qū)動(dòng)板電路中各種干擾的影響，降低了FPGA接受反饋信號(hào)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(jiǎn)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(shí)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(shí)鐘周期，之所以提供四路，是為了提供備份時(shí)鐘周期。圖示晶振電路可輸出50MHz的時(shí)鐘周期，如需要更高頻率的時(shí)鐘周期，可以通過(guò)鎖相環(huán)提供。

在實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，會(huì)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(hào)。SYS_RESET將復(fù)位信號(hào)輸出至FPGA端口。

FPGA通過(guò)AS下載口并通過(guò)EPC配置芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)板工作過(guò)程中，需要從系統(tǒng)主控器中得到控制指令，同時(shí)也需要將IGBT運(yùn)行狀態(tài)、故障信號(hào)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(shí)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(dòng)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(hào)，發(fā)送控制指令等。

3 結(jié)論

針對(duì)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(duì)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。