基于Spantan FPGA的多路數(shù)字量采集模塊設(shè)計

　　FPGA內(nèi)部邏輯主要分為數(shù)字信號采集、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)讀取、FIFO控制。根據(jù)要求，信號采集又分為頻率信號采集、20路數(shù)字信號采集和15路脈沖信號采集。系統(tǒng)同時采集三組信號，再送入外部FIFO中緩存。由于脈沖信號的數(shù)據(jù)量較大，時序不匹配，因此在信號采集完后數(shù)據(jù)還應(yīng)緩存，然后再經(jīng)數(shù)據(jù)編幀送至外部FIFO。內(nèi)部緩存利用VHDL編寫模塊，但是更簡易的方法是利用FPGA內(nèi)部的雙口RAM。因此，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的XCF2S-100E，其內(nèi)部集成5 KB容量的RAM，足夠內(nèi)部緩存使用。數(shù)據(jù)經(jīng)信號采集后送人緩存，然后由讀取模塊讀出再送入外部FIFO，整個模塊采用120 MHz的時鐘，可以滿足要求大于100 MHz的時鐘頻率。采集20路數(shù)字信號的方法是當(dāng)信號變化時，就將當(dāng)前所有數(shù)字信號的電平狀態(tài)都送入緩存，而對于頻率信號和脈沖信號的采集則采用如下方法。

　　4.1 頻率信號采集

　　由于頻率信號只需體現(xiàn)出其頻率大小即可，因此采集頻率信號時只記錄該信號兩沿間的時間。即就是設(shè)定一個16位的計數(shù)器T，計數(shù)器的值隨主時鐘累加，當(dāng)判斷到該信號有變化時，就將計數(shù)器的值T1送人緩存，然后將該計數(shù)器清零。計數(shù)器的值繼續(xù)累加，直到該信號下一次變化，再將計數(shù)器的值T2送入緩存，計數(shù)器再清零，以此類推，來記錄該信號兩沿間的時間。

　　4.2 脈沖信號采集

　　采集脈沖信號需記錄該信號的脈寬以及相對于同步信號的延遲。記錄方法是：使用一個單獨的進程，定義一個24位的計數(shù)器TB，當(dāng)同步信號的上升沿到來時開始計數(shù)，當(dāng)同步信號的下一個上升沿到來時，該計數(shù)器清零。另一個進程判斷15路脈沖信號中有一路信號變化時，將當(dāng)前計數(shù)器TB的值送人緩存，并將當(dāng)前所有脈沖信號的電平狀態(tài)都送入緩存。

　　4.3 數(shù)據(jù)的編幀和解幀

　　在數(shù)據(jù)采集部分中，當(dāng)同步信號的上升沿到來時，將3個幀標志分別寫入3個緩存，頻率信號數(shù)據(jù)的幀標志為EB90;20路數(shù)字信號的幀標志為2個EB91;15路脈沖信號數(shù)據(jù)的幀標志為3個EB92。讀取數(shù)據(jù)模塊中，當(dāng)同步信號的下降沿到來時，開始讀取緩存的數(shù)據(jù)送至外部FIFO，并判斷當(dāng)讀取一個EB90后，開始讀取緩存的數(shù)據(jù)，并送入外部FIFO;當(dāng)讀到兩個EB91后，讀取緩存的數(shù)據(jù)，并送入外部FIFO;當(dāng)讀到3個EB92后表明一幀數(shù)據(jù)讀取完畢，等待下一個同步信號的下降沿后再開始讀取下一幀數(shù)據(jù)。由于外部FIFO是16位，所以數(shù)據(jù)中不滿16位的都用0將數(shù)據(jù)補充完整，完整的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　上位機收到一幀數(shù)據(jù)后進行解幀處理，對于頻率信號數(shù)據(jù)，將這些T值相加并求平均得出T’，再乘以2，由于系統(tǒng)時鐘是120 MHz，所以2T’/120為頻率信號周期(μs級)，然后求倒數(shù)即可得出該信號的頻率值。

　　20路數(shù)字量信號數(shù)據(jù)直接顯示其電平狀態(tài)。脈沖信號數(shù)據(jù)則先判斷哪一路(多路)脈沖信號發(fā)生變化，再判斷該信號(幾路信號)的電平狀態(tài)。若為高電平，則對應(yīng)的時間應(yīng)為TBa;若為低電平，則對應(yīng)的時間應(yīng)為TBb。TBa即為該脈沖信號相對于同步信號的延遲，而TBb-TBa的值即為該脈沖信號的正脈沖脈寬。

　　5 結(jié)束語

　　針對測控系統(tǒng)監(jiān)測信號數(shù)量較多的問題，提出了一種基于FPGA的多路數(shù)字量采集與處理模塊，設(shè)計了相應(yīng)的電路和FPGA邏輯。在綜合調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，該多路數(shù)字量采集模塊已成功應(yīng)用于某測試系統(tǒng)。