基于FPGA的多路數(shù)字量采集模塊設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　測(cè)控系統(tǒng)常常需要處理所采集到的各種數(shù)字量信號(hào)。通常測(cè)控系統(tǒng)采用通用MCU完成系統(tǒng)任務(wù)。但當(dāng)系統(tǒng)中采集信號(hào)量較多時(shí)，僅依靠MCU則難以完成系統(tǒng)任務(wù)。針對(duì)這一問(wèn)題，提出一種基于FPGA技術(shù)的多路數(shù)字量采集模塊。利用FPGA的I／O端口數(shù)多且可編程設(shè)置的特點(diǎn)，配以VHDL編寫(xiě)的FPGA內(nèi)部邏輯，實(shí)現(xiàn)采集多路數(shù)字量信號(hào)。

　　2 模塊設(shè)計(jì)方案

　　2.1 功能要求

　　該數(shù)字量采集模塊主要功能是采集輸入的36路數(shù)字及脈沖信號(hào)，并將編幀后的信號(hào)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)解包處理后顯示信號(hào)相應(yīng)的狀態(tài)進(jìn)行判斷。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所測(cè)量的36路數(shù)字信號(hào)中，有15路正脈沖信號(hào)。它們均由一個(gè)同步脈沖信號(hào)觸發(fā)，因此需要測(cè)量這些正脈沖的寬度和相對(duì)于同步信號(hào)脈沖的延時(shí)。

　　要求采集步長(zhǎng)不能大于10 ns，即采集頻率高于100 MHz。而其他數(shù)字信號(hào)需要顯示高低電平狀態(tài)，其中一路信號(hào)是固定頻率信號(hào)，需測(cè)量其頻率值。上位機(jī)要求顯示所采集信號(hào)的狀態(tài)。

　　2.2 模塊原理框圖

　　FPGA內(nèi)部邏輯功能強(qiáng)大，外圍電路設(shè)計(jì)基于簡(jiǎn)單、可靠的原則。該模塊由FIFO、USB2.0單片機(jī)、光電隔離器等部分組成。36路數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電隔離器進(jìn)入FPGA主控單元，以供采集；FPGA處理采集到的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀，然后寫(xiě)入FIFO。USB單片機(jī)提取FIFO中的數(shù)據(jù)，通過(guò)USB電纜傳送給上位機(jī)，上位機(jī)將傳送來(lái)的數(shù)據(jù)解幀，然后顯示所有信號(hào)狀態(tài)。模塊通過(guò)電源接口向各個(gè)部分供電。其原理框圖如圖1所示。

　　3 模塊電路設(shè)計(jì)

　　3.1 FPGA配置電路

　　FPGA是采用XILINX公司的Spantan-II系列XC2S100E，該系列器件的內(nèi)核采用2.5 V供電，工作頻率高達(dá)200 MHz；I／O端口供電電壓為3.3 V，可承受5 V的輸入高電平。Spartan-II系列的FPGA具有豐富的I／O端口資源。其I／O端口輸出緩沖器接收高達(dá)24 mA源出電流和48 mA灌入電流。

　　由于FPGA基于RAM工藝技術(shù)，掉電后不能保存信息，因此需要一個(gè)外置存儲(chǔ)器來(lái)保存信息。采用一次可編程的PROM(高有效或低有效)XCF01SV020，其復(fù)位引腳的極性可編程設(shè)置，供電電壓為3.3 V。XCF01SVO20的DONE、INIT、CCLK信號(hào)來(lái)自于FPGA XC2S100E。系統(tǒng)上電后，首先FPGA初始化，INIT、DONE置低。INIT置低后復(fù)位PROM，此時(shí)由于PROM的CE為低，因此選取PROM，從而可將數(shù)據(jù)流從DATA引腳輸入到FPGA的DIN引腳。配置完成后，F(xiàn)PGA將DONE接高，PROM處于低功耗的待機(jī)模式，并將DATA引腳置為高阻態(tài)。圖2為FPGA配置電路圖。

　　3.2 光電隔離電路

　　采用高速光電耦合器HCPL-2631，其開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)10 MHz，而輸人數(shù)字信號(hào)頻率為120 kHz，完全滿足要求。由于光電耦合器件以光為媒介傳輸信息，可使輸入輸出隔離，由于光電耦合器的輸入回路為發(fā)光二極管，其輸入阻抗很小，而干擾源的內(nèi)阻較大，根據(jù)分壓原理可知，饋送到光電耦合器輸入端的噪聲干擾電壓變得很小，從而能有效抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，具有較強(qiáng)的抗干擾性能；另外由于光電隔離器的兩端采用不同的接地方式，因此數(shù)字信號(hào)地和模塊地被完全隔離。圖3為光電隔離電路圖。

　　3.3 FIFO電路

　　FIFO電路采用IDT公司的IDT72V17190器件，該器件采用3.3 V電壓供電，16位64 KB容量的FIFO，工作時(shí)鐘高達(dá)100 MHz。如圖4所示，F(xiàn)IFO的數(shù)據(jù)輸入D0～D15及PAF、WCLK、WEN均與FPGA相連。數(shù)據(jù)輸出Q0～Q15及REN、RCLK、OE、EF、MRS、HF、FF均與USB2.0單片機(jī)相連。讀FIFO狀態(tài)時(shí)，USB2.0單片機(jī)給出FIFO復(fù)位信號(hào)MRS和使能信號(hào)OE，然后判斷FIFO的狀態(tài)信號(hào)EF(空)和HF(半滿)。當(dāng)FIFO半滿且非空，即EF為高，HF為低時(shí)，給出FIFO讀使能信號(hào)REN和讀時(shí)鐘RCLK，從FIFO中讀出數(shù)據(jù)；寫(xiě)FIFO時(shí)，F(xiàn)PGA判斷FIFO的PAF(幾乎滿)信號(hào)，如果該信號(hào)無(wú)效，則給出寫(xiě)使能WEN和寫(xiě)時(shí)鐘WCLK，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO。

　　4 FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

　　FPGA內(nèi)部邏輯主要分為數(shù)字信號(hào)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(hào)采集又分為頻率信號(hào)采集、20路數(shù)字信號(hào)采集和15路脈沖信號(hào)采集。系統(tǒng)同時(shí)采集三組信號(hào)，再送入外部FIFO中緩存。由于脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)量較大，時(shí)序不匹配，因此在信號(hào)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(xiě)模塊，但是更簡(jiǎn)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(hào)采集后送人緩存，然后由讀取模塊讀出再送入外部FIFO，整個(gè)模塊采用120 MHz的時(shí)鐘，可以滿足要求大于100 MHz的時(shí)鐘頻率。采集20路數(shù)字信號(hào)的方法是當(dāng)信號(hào)變化時(shí)，就將當(dāng)前所有數(shù)字信號(hào)的電平狀態(tài)都送入緩存，而對(duì)于頻率信號(hào)和脈沖信號(hào)的采集則采用如下方法。

　　4.1 頻率信號(hào)采集

　　由于頻率信號(hào)只需體現(xiàn)出其頻率大小即可，因此采集頻率信號(hào)時(shí)只記錄該信號(hào)兩沿間的時(shí)間。即就是設(shè)定一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器T，計(jì)數(shù)器的值隨主時(shí)鐘累加，當(dāng)判斷到該信號(hào)有變化時(shí)，就將計(jì)數(shù)器的值T1送人緩存，然后將該計(jì)數(shù)器清零。計(jì)數(shù)器的值繼續(xù)累加，直到該信號(hào)下一次變化，再將計(jì)數(shù)器的值T2送入緩存，計(jì)數(shù)器再清零，以此類(lèi)推，來(lái)記錄該信號(hào)兩沿間的時(shí)間。

　　4.2 脈沖信號(hào)采集

　　采集脈沖信號(hào)需記錄該信號(hào)的脈寬以及相對(duì)于同步信號(hào)的延遲。記錄方法是：使用一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，定義一個(gè)24位的計(jì)數(shù)器TB，當(dāng)同步信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)同步信號(hào)的下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，該計(jì)數(shù)器清零。另一個(gè)進(jìn)程判斷15路脈沖信號(hào)中有一路信號(hào)變化時(shí)，將當(dāng)前計(jì)數(shù)器TB的值送人緩存，并將當(dāng)前所有脈沖信號(hào)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(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，將3個(gè)幀標(biāo)志分別寫(xiě)入3個(gè)緩存，頻率信號(hào)數(shù)據(jù)的幀標(biāo)志為EB90；20路數(shù)字信號(hào)的幀標(biāo)志為2個(gè)EB91；15路脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)的幀標(biāo)志為3個(gè)EB92。讀取數(shù)據(jù)模塊中，當(dāng)同步信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)，開(kāi)始讀取緩存的數(shù)據(jù)送至外部FIFO，并判斷當(dāng)讀取一個(gè)EB90后，開(kāi)始讀取緩存的數(shù)據(jù)，并送入外部FIFO；當(dāng)讀到兩個(gè)EB91后，讀取緩存的數(shù)據(jù)，并送入外部FIFO；當(dāng)讀到3個(gè)EB92后表明一幀數(shù)據(jù)讀取完畢，等待下一個(gè)同步信號(hào)的下降沿后再開(kāi)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(bǔ)充完整，完整的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　上位機(jī)收到一幀數(shù)據(jù)后進(jìn)行解幀處理，對(duì)于頻率信號(hào)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(shí)鐘是120 MHz，所以2T’／120為頻率信號(hào)周期(μs級(jí))，然后求倒數(shù)即可得出該信號(hào)的頻率值。

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

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)量較多的問(wèn)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(jì)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(cè)試系統(tǒng)。