FPGA數(shù)據(jù)采集電子電路設(shè)計(jì)攻略

測控系統(tǒng)常常需要處理所采集到的各種數(shù)字量信號。通常測控系統(tǒng)采用通用MCU完成系統(tǒng)任務(wù)。但當(dāng)系統(tǒng)中采集信號量較多時(shí)，僅依靠MCU則難以完成系統(tǒng)任務(wù)。針對這一問題，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編寫的 FPGA內(nèi)部邏輯，實(shí)現(xiàn)采集多路數(shù)字量信號。

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，并將編幀后的信號數(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相應(yīng)的狀態(tài)進(jìn)行判斷。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所測量的36路數(shù)字信號中，有15路正脈沖信號。它們均由一個(gè)同步脈沖信號觸發(fā)，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(shí)。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(shù)字信號需要顯示高低電平狀態(tài)，其中一路信號是固定頻率信號，需測量其頻率值。上位機(jī)要求顯示所采集信號的狀態(tài)。

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，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀，然后寫入FIFO。USB單片機(jī)提取FIFO中的數(shù)據(jù)，通過USB電纜傳送給上位機(jī)，上位機(jī)將傳送來的數(shù)據(jù)解幀，然后顯示所有信號狀態(tài)。模塊通過電源接口向各個(gè)部分供電。其原理框圖如圖1所示。

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(fù)位引腳的極性可編程設(shè)置，供電電壓為3.3 V。XCF01SVO20($3.1255)的DONE、INIT、CCLK信號來自于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。

光電隔離電路

采用高速光電耦合器HCPL-2631，其開關(guān)頻率高達(dá)10 MHz，而輸人數(shù)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(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)字信號地和模塊地被完全隔離。圖3為光電隔離電路圖。

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MRS和使能信號OE，然后判斷 FIFO的狀態(tài)信號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REN和讀時(shí)鐘RCLK，從 FIFO中讀出數(shù)據(jù);寫FIFO時(shí)，F(xiàn)PGA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(shí)鐘WCLK，將數(shù)據(jù)寫入 FIFO。

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(shí)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(shí)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(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)字信號的方法是當(dāng)信號變化時(shí)，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。

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(shí)，將3個(gè)幀標(biāo)志分別寫入3個(gè)緩存，頻率信號數(shù)據(jù)的幀標(biāo)志為EB90;20路數(shù)字信號的幀標(biāo)志為 2個(gè)EB91;15路脈沖信號數(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(shí)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(shí)間應(yīng)為TBa;若為低電平，則對應(yīng)的時(shí)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。