基于Spantan FPGA的多路數(shù)字量采集模塊設(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(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，以此類推，來記錄該信號(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)的上升沿到來時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)同步信號(hào)的下一個(gè)上升沿到來時(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)的上升沿到來時(shí)，將3個(gè)幀標(biāo)志分別寫入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)的下降沿到來時(shí)，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(gè)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(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TBa;若為低電平，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間應(yīng)為TBb。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

　　針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)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(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)。