一種基於C8051F340單片機和FPGA的多路電源電壓在線檢測裝置的製作方法

2023-05-13 05:51:57

本發明涉及一種檢測裝置，尤其涉及一種基於C8051F340單片機和FPGA的多路電源電壓在線檢測裝置。

背景技術：

C8051F340是完全集成的混合信號系統晶片（SOC），具有與8051指令集完全兼容的CIP‐51 內核。在速度功能等方面完全優於8051晶片，是當前8 位機中品質頂尖的產品。C8051F340有48隻引腳。片內集成了數據採集和控制系統中常用的模擬部件，並能方便地通過數字交叉開關將內部數字系統資源定向到外部I/O口上。它的特點是：高達25MIPS 的執行速度，強大的模擬信號處理和資源控制功能，8 路高性能的12位ADC（最大轉換速率為100KS/S）數據採集系統，兩路12位DAC ，兩路模擬比較器和ADC可編程窗口檢測器；片內還設有JTAG調試電路，提供全速非侵入式的在系統調試（無需仿真器） 。晶片採用流水線技術，70％指令的執行時間為1或2系統時鐘周期，為有關監控電路的監控與切換創造了非常有利的條件。片內的看門狗電路，電源監視電路等可靠的安全機制也保證了電路工作的穩定。本項目結合實際的需要，特選用C8051F340作為本系統的主控制晶片。主要負責與上位機進行信息交換，並且向FPGA發出控制信號，讀取SRAM中存儲的電壓數據。

現場可編程門陣列（FPGA）隨著現代數字集成技術的發展應運而生，現代大容量、高速度FPGA的出現，克服了傳統硬體設計中數據處理速度慢，可兼容性不強，不易現場升級等諸多不足。本系統中的FPGA採用的是Xilinx公司的V5系列的XC5VLX30‐1FF324I。該系列具有低功耗、高性能的特點，內部帶有乘法器，有著豐富的分布式RAM 和塊RAM；精確的時鐘管理模塊。以及性能優越、穩定成熟的IP核，有利於縮短開發周期。Xilinx公司的ISE 軟體為FPGA的設計與實現提供了很好的開發平臺，通過VHDL、原理圖和狀態機相互結合的設計方法使設計更趨於完善。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種通信穩定，數據準確的基於C8051F340單片機和FPGA的多路電源電壓在線檢測裝置。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：基於C8051F340單片機和FPGA的多路電源電壓在線檢測裝置包括被測的電源部分，C8051F340與FPGA主控電路部分，PC上位機部分。硬體電路包括以下幾個部分：基於C8051F340單片機的控制與通信部分，FPGA信號處理，AD信號採集與調理。

所述的C8051F340主要負責信號的傳遞和控制，接收上位機的控制信息，將這些信息處理後由IO口輸出到FPGA。系統所測電源分為ABCD四組，每組4路，共16路電源，每路電源信號均從負載端接回對應的遙測信號。檢測板通過功率管控制每一路的導通和關斷，並經由隔離器與FPGA進行數據傳遞。

所述的FPGA根據相應的地址信息，完成電源電壓的採集、存儲和處理工作，以及對功率管的開關控制，並將採集到的電源電壓值通過單片機上傳到上位機。

所述的上位機主要完成電源電壓大小的實時顯示，發出相應開關和AD採集的控制信號。上位機與C8051F340通過USB進行通信，FPGA與單片機通過部分數據地址復用的方式進行通信。

所述的C8051F340單片機主要負責與上位機進行信息交換，並且向FPGA發出控制信號，讀取SRAM 中存儲的電壓數據。

所述的FPGA部分採用的是Xilinx公司的V5系列的XC5VLX30‐1FF324I。FPGA模塊是整個數據採集處理系統的核心，主要完成功率開關控制、ADC採樣控制和採樣數據的存儲回放工作。FPGA與單片機以數據/地址復用的方式互連通信，通過解析單片機命令對相應電路功能單元進行控制操作。

所述的AD信號採集與調理電路採用外部的AD轉換晶片AD7685，是ADI公司推出的一款16位高速模數轉換晶片，其數據吞吐率最高可達250KSPS，最大誤差為±2LSB，其性能能夠較好地滿足系統設計需求。系統利用FPGA驅動AD7685的控制信號並對採樣數據進行串並轉換以及緩衝處理，從而令系統的採樣速度能夠保證對電壓信號中小脈衝的監控。

本發明的有益效果是：本發明採用C8051F340單片機和FPGA對電源電壓的檢測和控制，C8051F340單片機功能強大，價格便宜。使用FPGA不僅克服了傳統設計上模擬集成電路的缺點，而且在數據傳輸速度和處理速度上有了顯著提高。該電源電壓檢測系統現已經在整機測試臺項目中使用，實踐表明本設計合理，通信穩定，數據準確，符合工程應用標準。本設計較以往的電源電壓檢測系統具有電路簡單、穩定性高，使用方便等特點。隨著電子技術的發展，對檢測系統的要求也越來越高，自動檢測設備也在向實時性，精確性邁進。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是系統總體設計方案。

圖2是硬體系統框圖。

圖3是AD採集與信號調理圖。

具體實施方式

如圖1所示，基於C8051F340單片機和FPGA的多路電源電壓在線檢測裝置由被測的電源部分，C8051F340與FPGA主控電路部分，PC上位機部分。C8051F340主要負責信號的傳遞和控制，接收上位機的控制信息，將這些信息處理後由IO口輸出到FPGA。FPGA根據相應的地址信息，完成電源電壓的採集、存儲和處理工作，以及對功率管的開關控制，並將採集到的電源電壓值通過單片機上傳到上位機。上位機主要完成電源電壓大小的實時顯示，發出相應開關和AD採集的控制信號。上位機與C8051F340通過USB進行通信，FPGA與單片機通過部分數據地址復用的方式進行通信。

如圖2所示，硬體電路包括以下幾個部分：基於C8051F340單片機的控制與通信部分，FPGA信號處理，AD信號採集與調理。系統所測電源分為ABCD 四組，每組4 路，共16路電源，每路電源信號均從負載端接回對應的遙測信號。檢測板通過功率管控制每一路的導通和關斷，並經由隔離器與FPGA進行數據傳遞。選用C8051F340作為本系統的主控制晶片。主要負責與上位機進行信息交換，並且向FPGA發出控制信號，讀取SRAM 中存儲的電壓數據。上位機與單片機通過USB 進行通信。C8051F340片內集成了USB總線控制器，它與計算機的USB通信依靠D ＋和D－2個引腳完成的，接口非常簡單。在電路設計過程中，D＋和D－上並接了4 只高頻二極體，可以實現簡單的ESD保護。USB傳輸具有高速可靠傳輸的優勢，具有成本低、可靠性高、維護方便等優點。本文以帶有片上USB 的C8051F340為核心控制器件，利用USB 總線高速傳輸的特性，設計了電源電壓在線檢測系統。FPGA模塊是整個數據採集處理系統的核心，主要完成功率開關控制、ADC採樣控制和採樣數據的存儲回放工作。FPGA與單片機以數據/地址復用的方式互連通信，通過解析單片機命令對相應電路功能單元進行控制操作。系統採用CY6216EV30 晶片存儲FPGA採集的數據，CY6216EV30為靜態RAM，存儲容量大(16－MBIt），滿足系統設計的要求。為了減少信號之間的幹擾，系統採用ADｕM1401晶片進行信號之間的隔離。

如圖3所示，電源電壓可能受外界的幹擾下出現一些波動，對於供電系統，這些波動可能導致系統工作異常。因此，電源電壓數據的數據採集和監控是硬體設計的重點之一。由於各路電源信號間需要互相隔離，因此系統設計時須採用外部的AD轉換晶片。AD7685是ADI公司推出的一款16位高速模數轉換晶片，最大誤差為±2LSB，其性能能夠較好地滿足系統設計需求。系統利用FPGA驅動AD7685的控制信號並對採樣數據進行串並轉換以及緩衝處理，從而令系統的採樣速度能夠保證對電壓信號中小脈衝的監控。電源電壓信號經過比例衰減、電平轉換以及開關選擇送到AD7685進行採樣；AD768通過隔離器件與FPGA相連接。