DSP+FPGA的串行通信在PWM中的應用

左兆文

摘要：隨著電力電子技術的發展，單DSP已經無法滿足例如MMC拓撲結構的開關管控制。故DSP+FPGA的控制器結構成為了研究熱點。本文主要介紹了DSP和FPGA的串行通信方法，DSP發揮其數字處理的優勢計算開關管的占空比，而FPGA完成占空比移相的功能。其中，串行通信方法利用DSP的GPIOA作為I/O口發送數據。文中給出了串行通信軟件實現的流程圖，并對FPGA通信程序進行了仿真。通過仿真以及實驗，驗證了串行通信方法的可行性。

關鍵詞：DSP;FPGA;串行通信

在電力電子領域中，一般情況下DSP都作為核心控制器，負責整個系統的正常運行[1]。但是DSP在要求高可靠性的電路驅動方面卻不如將驅動算法以電路邏輯方式固化的現場可編程門陣列（FPGA）[2];同時DSP的輸出功能引腳數量一定，在一個需求多路PWM驅動的系統中，DSP無法獨立完成系統的控制[3]。而FPGA的I/O口數量眾多，極大的擴展了PWM輸出的數量。因此，利用DSP+FPGA作為核心控制器成為發展趨勢[4]。

一、串行通信的軟件設計

本文使用TI公司的TMS320F2812芯片，實現其與FPGA之間的串行通信。由于控制精度的要求，DSP每次發送的數據都為16位二進制數。在串行通信中，DSP每2us發送16位數中的一位數據送至FPGA，并等待18usFPGA讀數據，即50us發送一個16位二進制數。

（一）硬件設計

TI公司的TMS320F2812DSP芯片晶振為30MHZ，最大倍頻150MHZ，且有56 個可編程通用輸入/輸出引腳，其中GPIOA和GPIOB可以設置為PWM輸出引腳。由于DSP需要串行發送數據到FPGA，所需引腳數量較少，因此選擇GPIOA6-15與FPGA的輸入輸出（I/O）引腳相連接。

（二）軟件實現

核心控制板中，用于串行發送數據的是GPIOA。所以，串行發送的時基是使用2812EVA中的T1定時器，中斷也為T1定時器中斷。T1定時器設計為每2us產生一次中斷，并訪問中斷子程序，開始發送數據。當第一個16位的數據發送結束以后，定時器繼續計時，但并不發送數據，等待FPGA讀取數據。由于EVA中的計數模式設置為遞增模式。

在SPWM調試中，調制波為50HZ正弦波，設計PWM頻率為20kHZ，因此在一個調制波周期需要發送400個16為數據每0.9°選取一個點，將正弦波數組定義為a[i]（i=1，2…，400），當下一個周期正弦波到來時，該數字又重新開始計數。即在20ms內發送400個數據送至FPGA，因此每一個數據發送周期為50us，而每個數據為16位，所以每一位數據發送時間為2us，等待時間為18us。同時，FPGA需要一個握手信號表示DSP開始發送數據。所以，選定GPIOA7為握手信號發送的I/O口，GPIOA8為數據發送口。GPIOA7在0～32us內為高電平表示DSP正在向FPGA發送數據，在32～50us內為低電平表示停止發送數據，同時FPGA開始讀取數據。軟件流程圖見圖1。

在FPGA收到DSP發送的數據信號和握手信號以后，FPGA開始工作。當控制信號高位時，FPGA晶振100分頻產生一個時鐘信號，目的是為了每2us讀取一次DSP發送的調制波信號。在讀取數據時，FPGA還進行了串行轉并行的操作。當控制信號低位時，調制波信息保持不變，繼續產生PWM信號。FPGA通過晶振的分頻操作，產生了三角波，接收的調制波與三角波進行比較操作，最終產生PWM信號。

二、仿真及實驗結果

為了驗證上述理論的正確性，本文進行了FPGA的仿真實驗和DSP+FPGA實際操作。核心控制板如圖2所示。

本文首先驗證了DSP在串行通信中軟件程序的正確性。由于DSP發送調制波信息以及控制信號，所以DSP發送波形如圖3所示。通道1顯示的是調制波信息，從左至右為一個數據的低位到高位。通道2顯示的是DSP發送至FPGA的控制信息，即握手信號。

圖4中顯示的是FPGA的仿真波形，CLKIN位FPGA的晶振頻率，CLK0為FPGA的時鐘信號，TZB為調制波，輸出Y為PWM波形。

三、結論

本文主要介紹了DSP+FPGA的串行通信方法，并利用PWM調試驗證了通信算法的可行性。串行通信采用GPIO引腳實現。大多的電力電子系統要求的開關的頻率為20kHZ以內，且需要多路調制波信號發送至FPGA。因此結合工程實際，為了節省通信引腳，系統控制策略選擇串行發送。最后經過仿真和實驗的驗證，證明了串行通信方法的正確性。

參考文獻：

[1]2016世界能源發展報告[R].北京：社會科學文獻出版社，2016.7-10

[2]魏一鳴.中國能源報告[M].科學出版社，2014：2-8

[3]曾正，趙榮祥，湯勝清等.可再生能源分散接入用先進并網逆變器研究綜述[J].中國電機工程學報，2013 （24）：1-12.

[4]聶華，劉開華，孫春光等.DSP和FPGA之間串口通信研究[J].電子測量技術，2006，29 （6）：112-114.