[發明專利]基于FPGA+Arduino的新式家庭用電控制系統

在審

• 申請號: 201811642957.0
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109510315A
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 盧良偉;吳瑞坤;趙海軍;李偉;付爽
• 申請（專利權）人: 福建師范大學福清分校
• 主分類號: H02J13/00
• 分類號: H02J13/00;H02H7/26;H02H11/00;H02J3/00;H02J3/14
• 代理公司: 福州市眾韜專利代理事務所(普通合伙) 35220
• 代理人: 陳智雄;黃秀婷

1.一種基于FPGA+Arduino的新式家庭用電控制系統，其特征在于包括：系統供電模塊，用于將12V供電轉換成FPGA芯片和Arduino主控芯片所需的專用供電，保證系統穩定無故障運行；可編程邏輯關系模塊，采用FPGA芯片，用于系統的輸入輸出之間的可編程邏輯關系的配置；低壓開關輸入模塊，用于對輸入FPGA芯片和Arduino主控芯片的電平控制；高壓供電輸出模塊，用于對外帶載的供電輸出控制；MCU主控模塊，采用Arduino控制芯片，用于使系統能夠精確定時定點控制。

2.根據權利要求1所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用電控制系統，其特征在于：所述系統供電模塊采用雙12V冗余供電系統，兩路供電分別從J1和J2兩個接口輸入，在其中某一個電源模塊故障時另一個電源仍能正常工作，保證系統穩定無故障運行；電源分別通過接口P13和P14后鏈接熔斷電阻R256和R257進入防反接保護模塊，該防反接保護模塊采用兩個肖特基二極管D56與D58、D57與D59分別組成，當供電接反無法通過正向二極管D56和D57，當正向二極管故障短路之后反向二極管D58和D59仍能保證反向電壓不能正常進去DC12V電源網絡中。

3.根據權利要求2所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用電控制系統，其特征在于：所述系統供電模塊采用多個電路轉換模塊將DC12V供電分別轉換成DC1.2V、DC2.5V、DC3.3V和DC5V，各個電路轉換模塊采用芯片MP2307開關電源模塊分別獨立設計構成的DC/DC變換器，所述芯片MP2307開關電源模塊包括使能開機、時鐘震蕩、電荷泵電容增壓、輸出濾波與電壓控制閉環回路電路；其中，DC1.2V供電電路中通過C43和R246組成的電容充電延時電路，當開機啟動瞬間電容兩端電壓0，12V供電通過電阻R246對電容C43進行充電，電容兩端電壓由0逐漸升高直到芯片MP2307使能引腳7電平達到芯片MP2307開啟電壓2.5V后系統開始工作；為了保證芯片MP2307輸出開關管能夠穩定有效地工作，系統啟用了增壓電容C36，當輸出為低電平時芯片內部5V電路通過內部二極管對電容充電，當輸出為高電平時C36低壓端電壓被抬高，高壓端電壓為輸出端電壓+5V保證開關管能夠有穩定且較高的開啟控制電壓保證導通過程中開關管能夠處于完整導通狀態；電感L2和電容C38、電容C39、電容C42組成的LC濾波電路保證供電輸出紋波能夠滿足芯片MP2307的工作要求；續流二極管D52在芯片MP2307輸出時處于反接狀態不工作，當芯片MP2307無輸出過程為電感L2提供穩定電流避免芯片MP2307被電感L2產生的負壓擊穿；R250和R252分壓反饋電路保證輸電電壓穩定在1.2V；所述DC2.5V、DC3.3V和DC5V供電電路也是采用與所述1.2V供電電路相同的電路結構來實現電壓轉換。

4.根據權利要求3所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用電控制系統，其特征在于：所述系統供電模塊啟用鎖相環供電為2.5V，為了避免兩端信號串擾保證2.5V供電系統與鎖相環均能正常工作采用CLC濾波電路。

5.根據權利要求2所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用電控制系統，其特征在于：系統供電模塊還包括電源指示燈模塊，所述電源指示燈模塊，采用電阻分壓和LED點亮方式可直觀看出每一路供電是否正常，對于1.2V因電壓過低無法直接點亮LED采用1.2V作為控制信號，Q53NPN型三極管作為驅動2.5V直接供電，其中電阻R269既起到分壓限流防止Q53發射結過壓與過流而燒穿，同時還起到控制D60指示燈亮度，保證指示燈不因驅動三極管全部導通產生的過壓與過流。

6.根據權利要求1所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用電控制系統，其特征在于：所述可編程邏輯關系模塊采用的FPGA芯片為Altera CycloneIII系列240引腳芯片，所述FPGA芯片采用3.3V、2.5V、1.2V三種供電，其中內核與鎖相環供電無法改變，輸入輸出引腳供電電壓采用3.3V用于方便與MCU進行對接；所述FPGA芯片的時鐘上采用兩個50MHZ有源晶振Y1和Y2，用于方便系統調用與備用。