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1 引言 測控系統常常需要處理所采集到的各種數字量信號。通常測控系統采用通用MCU完成系統任務。但當系統中采集信號量較多時，僅依靠MCU則難以完成系統任務。針對這一問題，提出一種基于FPGA技術的多路數字量采集模塊。利用FPGA的I／O端口數多且可編程設置的特點，配以VHDL編寫的FPGA內部邏輯，實現采集多路數字量信號。 2 模塊設計方案 2.1 功能要求 該數字量采集模塊主要功能是采集輸入的36路數字及脈沖信號，并將編幀后的信號數據上傳給上位機，上位機經解包處理后顯示信號相應的狀態進行判斷。 根據設計要求，所測量的36路數字信號中，有15路正脈沖信號。它們均由一個同步脈沖信號觸發，因此需要測量這些正脈沖的寬度和相對于同步信號脈沖的延時。 要求采集步長不能大于10 ns，即采集頻率高于100 MHz。而其他數字信號需要顯示高低電平狀態，其中一路信號是固定頻率信號，需測量其頻率值。上位機要求顯示所采集信號的狀態。 2.2 模塊原理框圖 FPGA內部邏輯功能強大，外圍電路設計基于簡單、可靠的原則。該模塊由FIFO、USB2.0單片機、光電隔離器等部分組成。36路數字信號經光電隔離器進入FPGA主控單元，以供采集；FPGA處理采集到的信號，轉換成數據進行編幀，然后寫入FIFO。USB單片機提取FIFO中的數據，通過USB電纜傳送給上位機，上位機將傳送來的數據解幀，然后顯示所有信號狀態。模塊通過電源接口向各個部分供電。其原理框圖如圖1所示。 3 模塊電路設計 3.1 FPGA配置電路 FPGA是采用XILINX公司的Spantan-II系列XC2S100E，該系列器件的內核采用2.5 V供電，工作頻率高達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24 mA源出電流和48 mA灌入電流。 由于FPGA基于RAM工藝技術，掉電后不能保存信息，因此需要 一個外置存儲器來保存信息。采用一次可編程的PROM(高有效或低有效)XCF01SV020，其復位引腳的極性可編程設置，供電電壓為3.3 V。 XCF01SVO20的DONE、INIT、CCLK信號來自于FPGA XC2S100E。系統上電后，首先FPGA初始化，INIT、DONE置低。INIT置低后復位PROM，此時由于PROM的CE為低，因此選取PROM，從而可將數據流從DATA引腳輸入到FPGA的DIN引腳。配置完成后，FPGA將DONE接高，PROM處于低功耗的待機模式，并將DATA引腳置為高阻態。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，其開關頻率高達10 MHz，而輸人數字信號頻率為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光二極管，其輸入阻抗很小，而干擾源的內阻較大，根據分壓原理可知，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，因此數字信號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，工作時鐘高達100 MHz。如圖4所示，FIFO的數據輸入D0～D15及PAF、WCLK、WEN均與FPGA相連。數據輸出Q0～Q15及REN、RCLK、OE、EF、MRS、HF、FF均與USB2.0單片機相連。讀FIFO狀態時，USB2.0單片機給出FIFO復位信號MRS和使能信號OE，然后判斷FIFO的狀態信號EF(空)和HF(半滿)。當FIFO半滿且非空，即EF為高，HF為低時，給出FIFO讀使能信號REN和讀時鐘RCLK，從FIFO中讀出數據；寫FIFO時，FPGA判斷FIFO的PAF(幾乎滿)信號，如果該信號無效，則給出寫使能WEN和寫時鐘WCLK，將數據寫入FIFO。 4 FPGA內部邏輯設計 FPGA內部邏輯主要分為數字信號采集、數據緩存和數據讀取、FIFO控制。根據要求，信號采集又分為頻率信號采集、20路數字信號采集和15路脈沖信號采集。系統同時采集三組信號，再送入外部FIFO中緩存。由于脈沖信號的數據量較大，時序不匹配，因此在信號采集完后數據還應緩存，然后再經數據編幀送至外部FIFO。內部緩存利用VHDL編寫模塊，但是更簡易的方法是利用FPGA內部的雙口RAM。因此，FPGA選用Xilinx公司的XCF2S-100E，其內部集成5 KB容量的RAM，足夠內部緩存使用。數據經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路數字信號的方法是當信號變化時，就將當前所有數字信號的電平狀態都送入緩存，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。即就是設定一個16位的計數器T，計數器的值隨主時鐘累加，當判斷到該信號有變化時，就將計數器的值T1送人緩存，然后將該計數器清零。計數器的值繼續累加，直到該信號下一次變化，再將計數器的值T2送入緩存，計數器再清零，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位的計數器TB，當同步信號的上升沿到來時開始計數，當同步信號的下一個上升沿到來時，該計數器清零。另一個進程判斷15路脈沖信號中有一路信號變化時，將當前計數器TB的值送人緩存，并將當前所有脈沖信號的電平狀態都送入緩存。 4.3 數據的編幀和解幀 在數據采集部分中，當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，頻率信號數據的幀標志為EB90；20路數字信號的幀標志為2個EB91；15路脈沖信號數據的幀標志為3個EB92。讀取數據模塊中，當同步信號的下降沿到來時，開始讀取緩存的數據送至外部FIFO，并判斷當讀取一個EB90后，開始讀取緩存的數據，并送入外部FIFO；當讀到兩個EB91后，讀取緩存的數據，并送入外部FIFO；當讀到3個EB92后表明一幀數據讀取完畢，等待下一個同步信號的下降沿后再開始讀取下一幀數據。由于外部FIFO是16位，所以數據中不滿16位的都用0將數據補充完整，完整的數據幀結構如圖5所示。 上位機收到一幀數據后進行解幀處理，對于頻率信號數據，將這些T值相加并求平均得出T’，再乘以2，由于系統時鐘是120 MHz，所以2T’／120為頻率信號周期(μs級)，然后求倒數即可得出該信號的頻率值。 20路數字量信號數據直接顯示其電平狀態。脈沖信號數據則先判斷哪一路（多路）脈沖信號發生變化，再判斷該信號（幾路信號）的電平狀態。若為高電平，則對應的時間應為TBa；若為低電平，則對應的時間應為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 結束語 針對測控系統監測信號數量較多的問題，提出了一種基于FPGA的多路數字量采集與處理模塊，設計了相應的電路和FPGA邏輯。在綜合調試成功的基礎上，該多路數字量采集模塊已成功應用于某測試系統。 |
