基于FPGA的一种船用通信数字控制电路设计

隋波 , 陈玉林 , 高 嵬

基于FPGA的一种船用通信数字控制电路设计

隋波1, 陈玉林2, 高 嵬2

(1. 海军驻大连地区军事代表室, 辽宁大连; 2. 海军工程大学电气工程学院, 武汉 430033)

本文针对船用通信系统存在干扰的问题，设计了一种基于FPGA的数字控制电路，该电路可有效防止干扰，能很好的确保舰艇通信系统的正常工作。

FPGA 数字通信电路

0 引言

在所有数字元件中，FPGA发挥着控制核心的重要作用,具体包括：实现高速光纤通讯功能、多级有源门极驱动算法、故障保护逻辑、数字信号处理等。船用通信系统由于干扰严重，长期以来只能通过笨重的滤波装置进行滤波，采用数字控制电路，可以有效的防止干扰，确保通信系统的正常运行。图1显示了FPGA及其外围电路结构。

1 FPGA数字电路的要求

在中大功率IGBT数字驱动器中，以FPGA为核心的数字电路必须符合如下要求：

1）快速的运算能力和较小的延时。IGBT的开通和关断过程在μ秒级[1]，而驱动器要在IGBT开通和关断的暂态过程中对IGBT的某些参数进行改变和控制。而且，欲调控这些参数，首先要通过监测电路中获取这些参数的当前值，再通过FPGA的运算处理，将结果输出至外电路，再作用于欲改变的电路。所以，必须尽可能减少FPGA的运算时间，一方面可以通过优化载入的FPGA的处理程序，一方面就需要提高FPGA的时钟频率，增加其运算速度。

2）较小的三维尺寸。小型化是电力电子器件发展趋势之一，尽量减小驱动板的大小对变流器系统整体小型化有十分重要的作用。FPGA是驱动板中最大的数字器件，它的大小是决定整个驱动板大小的重要因素。此外，小的FPGA有利于驱动板中其它元件的布局，并为更多的辅助电路提供空间。

3）较好的电磁兼容性能。驱动板必须考虑变流器系统内恶劣的电磁环境，其自身也存在强弱电紧耦合，且要完成高速光纤通讯功能，因此电磁兼容性必须加以考虑。

4）丰富的接口电路。FPGA及数字电路内存在多种接口需求，如电源、时钟、I/O、模拟接口等，所以数字电路必须能够满足这些接口需求。

2 数字控制电路的设计

综合考虑以上因素，本设计最终采用ALTERA公司的EP2C20F256I7N型FPGA，此型号FPGA能够较好的满足上述四点要求。EP2C20F256I7N型FPGA的运算速度可达百兆Hz，即时钟周期可达n秒级，能够较好的满足驱动板对处理速度的要求。16 mm×16 mm、BGA封装，占用的面积比较小，引脚数为16×16，共256个引脚，可以完全满足驱动板外围电路对FPGA对其引脚的要求。其存储容量也较大，预计能够存储所需要的各种程序。

同时，EP2C20F256I7N型FPGA应用于IGBT数字驱动器也存在一些不足，包括：

（1）所需要的电源种类较多，需要较多的电压转换芯片提供所需的电源电压。EP2C20F256I7N型FPGA需要电压值为3.3 V和1.2 V两种不同的电源，而且1.2V电源需要分成三个相对独立的电源为FPGA供电。这一方面使驱动板需要分出更多区域给电源芯片，另一方面，也为PCB设计中电源分区带来了一定的困难。

（2）EP2C20F256I7N型FPGA为BGA封装，而BGA封装更易受环境中EMI的影响。在中大功率IGBT的应用场合，一般都存在较强的电磁干扰，这使得驱动板的安全运行受到一定的威胁。而且BGA封装的FPGA引脚全部在FPGA的底部，在PCB制作过程中，需要精心考虑FPGA引脚布线，为驱动板设计来来了一定的困难。

（3）FPGA的输入输出端口为3.3 V电压，即高电平3.3 V有效，相对与5 V电压来说，3.3 V电压较低，更容易受到驱动板电路中各种干扰的影响，降低了FPGA接受反馈信号和发出的控制指令的可靠性。

四、数字控制电路的功能简介

如图1，FPGA的配置电路包括：晶振电路，程序下载电路，系统复位电路，光纤通讯接口等四部分。

晶振电路为FPGA提供所需的时钟周期，本设计中，晶振设计如图2所示。电路中3.3 V电源为晶振电路供电，端口CLK0～CLK3连接至FPGA为FPGA提供时钟周期，之所以提供四路，是为了提供备份时钟周期。图示晶振电路可输出50MHz的时钟周期，如需要更高频率的时钟周期，可以通过锁相环提供。

在实际应用和实验调试过程中，会用到系统复位功能，本设计采用如图3电路为FPGA提供复位信号。SYS_RESET将复位信号输出至FPGA端口。

FPGA通过AS下载口并通过EPC配置芯片实现驱动程序的加载，利用JATAG端口实现在线调试。这里不加赘述。

在驱动板工作过程中，需要从系统主控器中得到控制指令，同时也需要将IGBT运行状态、故障信号上传至系统主控器，这就需要实现FPGA与主控器的通讯功能基于隔离的需要和传输速度的考虑，本设计采用光纤设备实现FPGA与系统主控器的通讯功能。目前仅用于实验，所以在电路中只使用了接受光纤端口HFBR2412T，用于接收实验时发出的控制命令，其电路如图4。输出端TF_RECEIVE将光纤端口接受到的控制指令发送至FPGA，之所以使用3.3 V电源，是因为FPGA的I/O口使用的是3.3 V电源，光纤端口需要与其一致。FPGA有多路I/O端口与驱动板其它电路相连，主要实现采集数字化的IGBT状态信号，发送控制指令等。

3 结论

针对船用通信系统干扰源多的特点，设计了一种基于FPGA的数字电路，该电路不仅能实现原有模拟电路的全部功能，还对干扰不敏感，具有较好的抗干扰效果。

[1] Schmitt G, Kennel R. Voltage gradient limitation of IGBTs by optimised gate-current profiles[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，工程师。研究方向：舰船监造。