FPGA在多串口讀數(shù)系統(tǒng)中的應用

摘要：主要討論了FPGA在多單片機串行讀數(shù)系統(tǒng)中的應用，在該系統(tǒng)中單片機通過異步串行通信讀取外部設備中的數(shù)據(jù)，經FPGA緩沖后再送到USB單片機，最終上傳到計算機。文中重點介紹了利用FPGA內部雙口RAM構建的FIFO在該系統(tǒng)中的具體應用以及FPGA如何協(xié)調各單片機的工作。
關鍵詞：FPGA；RAM；FIF0

O 引言
本文所設計的讀數(shù)系統(tǒng)主要為解決上傳數(shù)據(jù)慢的問題，具體的背景如下：目前已設計一小型彈載記錄器，采用單片機+FLASH的結構，F(xiàn)LASH容量為lGB，為了最大限度地減少記錄器的外部接口數(shù)據(jù)線的數(shù)量，采用異步串行通信方式上報數(shù)據(jù)。單片機選用了Silabs公司混成集成芯片C8051F060，該單片機UARTl最高波特率可以達到系統(tǒng)時鐘的一半，也即如果晶體振蕩器采用14MHz，那么波特率理論值可以達到7Mbps，有效數(shù)據(jù)傳輸速率可達700kbps，但由于記錄器需要從FLASH讀取數(shù)據(jù)，而每讀出一頁的數(shù)據(jù)需要等待約20us的時間，所以上傳數(shù)據(jù)為非連續(xù)性的傳輸，經實際測試發(fā)現(xiàn)，波特率為7Mbps時實際的數(shù)據(jù)上傳速率僅為300kbps左右，如果上傳1GB的數(shù)據(jù)就需要至少56分鐘的時間，如果需要上傳數(shù)套記錄器數(shù)據(jù)的時候，就顯得尤為浪費時間。為了解決這個問題，本文設計了一個讀數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過增加每次上傳的記錄器的數(shù)量來提高讀數(shù)系統(tǒng)的資源利用率，以5套記錄器同時上傳來計算，56分鐘內可以上傳5GB的數(shù)據(jù)，平均每套的上傳時問僅為12分鐘，提高了數(shù)據(jù)上傳效率。系統(tǒng)框圖見圖l。

其中USB接口控制器選用CYPRESS公司的CY7C68013A，該芯片是Cypress公司推出的新一代高速EZ―USB FX2系列芯片；單片機部分選用C8051F060芯片；主控FPGA選用XILINX公司SPARTAN―IIE系列芯片XC2S100E一PQ208。
FPGA作為主控制中心，主要負責接收68013發(fā)送的狀態(tài)指令，并將狀態(tài)下發(fā)到各單片機及相應的外部設備，五個單片機分別負責通過串口接收外部設備的串行數(shù)據(jù)，并將其并行寫入FPGA，68013除了從FPGA中讀取數(shù)據(jù)外，還需要將計算機下發(fā)的控制命令發(fā)送到FPGA。

1 FPGA內部FIF0設計
由于本項目所用FPGA芯片內部RAM共有40Kbit，所以可構成1KB×5的FIF0結構，即可構成5個深度分別為1KB的FIFO，分別作為5個單片機上傳時的數(shù)據(jù)緩沖，具體邏輯框圖見圖2。CPU模塊主要負責五個FIF0之間的切換，5個FIFO采用相同的結構，限于篇幅，本文不詳細介紹FIF0的具體設計，只給出5個FIF0與CPU模塊之間的邏輯關系。5個FIFO分別給出兩個狀態(tài)信號，一個是OK，該信號表示FIFO已經準備好數(shù)據(jù)，可以進行讀取操作，另一個信號為Req，該信號通知單片機該FIFO已經幾乎空，可以向該FIF0寫入數(shù)據(jù)，其中幾個關鍵信號的具體用途如下表l所示：

2 FIF0切換
GPIF接口是EZ―USB FX2系列單片機提供的一個可由用戶編程的接口，具有高速、靈活等特點，可方便地實現(xiàn)與各種外設之間的無縫連接。GPIF的核心是一個可編程的狀態(tài)機，通過對其進行編程可以實現(xiàn)多種協(xié)議，功能非常強大。
本設計中68013與FPGA之間的接口即采用GPIF模式，基本的運行模式為：68013每啟動一次GPIF讀波形，便從FPGA中讀取512個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后FPGA自動切換FIFO號。在程序設計時可以在GPIF中斷函數(shù)中設置一個標志，這樣CPU模塊在檢測到這個標志后表明對該FIF0的操作已完成，應該切換FIF0了，該標志信號使用PA4引腳來發(fā)出，具體說明見見表1。
5個FIFO的具體操作如下：系統(tǒng)上電后先復位各FIFO，并使各FIFO處于關閉狀態(tài)，然后判斷是否為讀狀態(tài)，如果不是則循環(huán)判斷，如果為讀狀態(tài)，則使能各FIFO；由于默認操作在FIF0l，所以判斷FIF01的0K信號是有效，如果有效，則判斷PA4引腳是否為‘0’，如果為‘0’則置RDYO為l，68013判斷到此信號后啟動一次GPIF波形讀取512字節(jié)的數(shù)據(jù)，并在讀完后將PA4置1，表示數(shù)據(jù)已經讀取完畢，CPU模塊在判斷到PA4為1后將RDYO置O，然后將操作對象切換至FIF02，接著判斷FIF02的OK信號是否有效，具體操作同F(xiàn)IF01，具體流程見圖3。

注意：為了保證數(shù)據(jù)讀取時的暢通無阻，在判斷四個FIF0的OK信號時，應該采取輪循的判斷方式，即當FIF01 的OK信號無效時應該轉去判斷FIF02的0K信號，而不能死等FIF01的0K信號有效，這樣可以有效防止因某個單片機或某個外部設備的故障而出現(xiàn)的讀數(shù)停滯現(xiàn)象。

3 結束語
經過長時間的工作表明，該讀數(shù)系統(tǒng)能穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)的上傳，滿足實際需要。