基于FPGA的通信信號處理分析

鄭春芳（山西水利職業技術學院，山西太原，030027）

基于FPGA的通信信號處理分析

鄭春芳
（山西水利職業技術學院，山西太原，030027）

FPGA作為一個核心的數據、信號采集系統，具有4個采集通道，直接通過上位機的指令配置，可根據實際需求選擇實時采樣或高速采樣，在數據處理與信號處理中的應用前景十分廣闊。文章主要對基于FPGA的通信信號處理系統設計進行分析，針對系統應用中存在的問題提供相應的解決方案，可供參考。

FPGA；高速采樣；ADC芯片

1 FPGA系統設計

1.1 FPGA系統構成

FPGA主控電路負責控制和協調各模塊的工作；模/數轉換（ADC）電路用于模擬信號的采集；存儲電路用于數據存儲。FPGA和上位機之間的通信由RS-232串口實現。實時采樣時，A/D轉換后的信號經FPGA處理后直接由串口傳送給上位機程序；高速采樣時，A/D轉換后的通信信號先在存儲器中進行暫時存儲[1]。

1.2 FPGA硬件設計

(1)采集及存儲電路設計。采用的ADC芯片為MAX1301，為4通道16位分辨率的串行ADC，最高采樣頻率可以達到115kSPS，工作電壓為+5V；輸入輸出引腳供電使用3.3V，與FPGA I/0電平相兼容。

（2）串口通信電路。由于RS-232串口通信簡單、可靠，且速度滿足一般的采集系統要求。RS-232采用3-15V電平標準，而FPGA只能兼容LVTTL、LVCMOS電平標準，故兩者不能兼容，需要進行電平轉換。

1.3 系統軟件設計

（1）ADC控制模塊。ADC控制模塊用于控制ADC對經過信號調理后的電橋信號進行采樣。系統上電后，在進行采樣前，需要先對MAX1301所需的通道進行模擬輸入配置和工作模式配置，配置完成后即可按照控制指令的要求進行信號采集。

（2）存儲器模塊。存儲器模塊用于測試系統進行高速采集時的信號存儲，可以實現高速存儲和低速讀取的目的。

（3）指令識別模塊和數據識別模塊。采集系統的工作狀態需要由上位機進行控制，控制過程通過發送指令的方式來實現；控制指令識別模塊用于對指令的解讀指令信息并調動、協調各模塊的工作[2]。

2 FPGA串行通信程序的實現

2.1 上行通信

模塊向中央控制器發送數據，由于3個模塊采用485并聯串行通信，需要3個模塊共用總線，中央控制器可通過塊號區分不同模塊的數據，且需要控制MAX485芯片的傳輸方向，在同一時刻保證只有一個模塊處于發送模式，不出現總線電平疊加。

（1）分時復用

為實現總線的分時復用，中央控制器FPGA發出一個通信同步信號，發送給3個模塊，通過同步信號來輔助控制每個模塊發送數據的時刻。

（2）總線空閑狀態

根據有關工業總線標準，同一時刻只能有一個節點在發送報文，此時其他節點處在接收狀態，如果有2個或2個以上節點同時向總線發送數據，將會導致數據發送失敗。

2.2 下行通信

（1）中央控制器的發送

由于一次發送90bytes數據，數據量大可能產生累積誤差，所以中央控制器分3次，一次發送30bytes數據，依次發送1#，2#，3#模塊數據，循環進行。

時鐘：發送時鐘頻率為SMHz，一幀數據為244bit，發送一幀數據需要時間48.8μs；使能信號：FPGA內部信號，周期為150μs，用來控制每一次發送的開始；塊號：區分不同的模塊數據。

（2）模塊控制器的接收

每個模塊控制器會接收中央發送的全部數據，通過鑒別塊運行的方式，而并非像傳統方式中由電網統一進行調控。

2.3 保護

現代微電網保護技術，與傳統方式存在很大不同，主要表現在以下兩個方面：第一，潮流的雙向流通；第二，微電網在獨立運行和并網運行這兩種工作模式下，電流的大小會存在很大差異，但在上述兩種情況下均可對微電網的內部故障進行調控，并保證保護工作的靈活性、快速性、選擇性、和可靠性。

2.4 預測

需對電網的各個單元輸出功率進行預測，為后期的調度和管理工作提供便利條件。目前，對于太陽能、風能而言，其發電輸出功率的預測主要分為以下幾種方式：智能學習法、統計方法、物理方法。其中物理方法可以通過天氣預報等，進行短期的預測工作；統計方法主要針對于中期預測，可通過大量長期積累的數據信息進行分析和統計；而通過智能學習法，便可隨時更新和修改預測模型。

3 總結

分布式電源集群并網問題促使著傳統電網改革，而隨著光伏屋頂計劃、售電側改革的不斷深入，客戶用電方式發生了翻天覆地的變化，為了滿足客戶用電需求，隨之出現了微電網技術，其可將分布式電源多余電量傳遞給大電網，實現電源的協調管理，為電網智能化發展提供了良好的技術支持。

[1]蘇玲,張建華,王利,苗唯時,吳子平.微電網相關問題及技術研究[J].電力系統保護與控制. 2010 (19) .

[2]鄭漳華,艾芊.微電網的研究現狀及在我國的應用前景[J].電網技術. 2008 (16) .

Analysis of Communication Signal Processing Based on FPGA

Zheng Chunfang
(Shanxi Conservancy Technical Institute,Taiyuan Shanxi, 030027)

FPGA as a core data, signal acquisition system, with 4 acquisition channels, directly through the command configuration of the host computer, can choose real-time sampling or high-speed sampling according to actual needs, but also has the data acquisition, storage, automatic bridge balance, state feedback and other functions, in data processing and signal processing of the application prospects are very broad. This paper mainly analyzes the design of communication signal processing system based on FPGA, and provides the corresponding solution for the problems existing in the application of the system, which can be used for reference.

FPGA;high speed sampling;ADC chip