基于FPGA的通信信号处理分析

郑春芳（山西水利职业技术学院，山西太原，030027）

基于FPGA的通信信号处理分析

郑春芳
（山西水利职业技术学院，山西太原，030027）

FPGA作为一个核心的数据、信号采集系统，具有4个采集通道，直接通过上位机的指令配置，可根据实际需求选择实时采样或高速采样，在数据处理与信号处理中的应用前景十分广阔。文章主要对基于FPGA的通信信号处理系统设计进行分析，针对系统应用中存在的问题提供相应的解决方案，可供参考。

FPGA；高速采样；ADC芯片

1 FPGA系统设计

1.1 FPGA系统构成

FPGA主控电路负责控制和协调各模块的工作；模/数转换（ADC）电路用于模拟信号的采集；存储电路用于数据存储。FPGA和上位机之间的通信由RS-232串口实现。实时采样时，A/D转换后的信号经FPGA处理后直接由串口传送给上位机程序；高速采样时，A/D转换后的通信信号先在存储器中进行暂时存储[1]。

1.2 FPGA硬件设计

(1)采集及存储电路设计。采用的ADC芯片为MAX1301，为4通道16位分辨率的串行ADC，最高采样频率可以达到115kSPS，工作电压为+5V；输入输出引脚供电使用3.3V，与FPGA I/0电平相兼容。

（2）串口通信电路。由于RS-232串口通信简单、可靠，且速度满足一般的采集系统要求。RS-232采用3-15V电平标准，而FPGA只能兼容LVTTL、LVCMOS电平标准，故两者不能兼容，需要进行电平转换。

1.3 系统软件设计

（1）ADC控制模块。ADC控制模块用于控制ADC对经过信号调理后的电桥信号进行采样。系统上电后，在进行采样前，需要先对MAX1301所需的通道进行模拟输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进行信号采集。

（2）存储器模块。存储器模块用于测试系统进行高速采集时的信号存储，可以实现高速存储和低速读取的目的。

（3）指令识别模块和数据识别模块。采集系统的工作状态需要由上位机进行控制，控制过程通过发送指令的方式来实现；控制指令识别模块用于对指令的解读指令信息并调动、协调各模块的工作[2]。

2 FPGA串行通信程序的实现

2.1 上行通信

模块向中央控制器发送数据，由于3个模块采用485并联串行通信，需要3个模块共用总线，中央控制器可通过块号区分不同模块的数据，且需要控制MAX485芯片的传输方向，在同一时刻保证只有一个模块处于发送模式，不出现总线电平叠加。

（1）分时复用

为实现总线的分时复用，中央控制器FPGA发出一个通信同步信号，发送给3个模块，通过同步信号来辅助控制每个模块发送数据的时刻。

（2）总线空闲状态

根据有关工业总线标准，同一时刻只能有一个节点在发送报文，此时其他节点处在接收状态，如果有2个或2个以上节点同时向总线发送数据，将会导致数据发送失败。

2.2 下行通信

（1）中央控制器的发送

由于一次发送90bytes数据，数据量大可能产生累积误差，所以中央控制器分3次，一次发送30bytes数据，依次发送1#，2#，3#模块数据，循环进行。

时钟：发送时钟频率为SMHz，一帧数据为244bit，发送一帧数据需要时间48.8μs；使能信号：FPGA内部信号，周期为150μs，用来控制每一次发送的开始；块号：区分不同的模块数据。

（2）模块控制器的接收

每个模块控制器会接收中央发送的全部数据，通过鉴别块运行的方式，而并非像传统方式中由电网统一进行调控。

2.3 保护

现代微电网保护技术，与传统方式存在很大不同，主要表现在以下两个方面：第一，潮流的双向流通；第二，微电网在独立运行和并网运行这两种工作模式下，电流的大小会存在很大差异，但在上述两种情况下均可对微电网的内部故障进行调控，并保证保护工作的灵活性、快速性、选择性、和可靠性。

2.4 预测

需对电网的各个单元输出功率进行预测，为后期的调度和管理工作提供便利条件。目前，对于太阳能、风能而言，其发电输出功率的预测主要分为以下几种方式：智能学习法、统计方法、物理方法。其中物理方法可以通过天气预报等，进行短期的预测工作；统计方法主要针对于中期预测，可通过大量长期积累的数据信息进行分析和统计；而通过智能学习法，便可随时更新和修改预测模型。

3 总结

分布式电源集群并网问题促使着传统电网改革，而随着光伏屋顶计划、售电侧改革的不断深入，客户用电方式发生了翻天覆地的变化，为了满足客户用电需求，随之出现了微电网技术，其可将分布式电源多余电量传递给大电网，实现电源的协调管理，为电网智能化发展提供了良好的技术支持。

[1]苏玲,张建华,王利,苗唯时,吴子平.微电网相关问题及技术研究[J].电力系统保护与控制. 2010 (19) .

[2]郑漳华,艾芊.微电网的研究现状及在我国的应用前景[J].电网技术. 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