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基于FPGA的多路數(shù)字量采集模塊設計

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1 引言

　　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。但當系統(tǒng)中采集信號量較多時,，僅依靠MCU則難以完成系統(tǒng)任務,。針對這一問題，提出一種基于FPGA技術的多路數(shù)字量采集模塊,。利用FPGA的I／O端口數(shù)多且可編程設置的特點,，配以VHDL編寫的FPGA內(nèi)部邏輯，實現(xiàn)采集多路數(shù)字量信號,。

　　2 模塊設計方案

　　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,，并將編幀后的信號數(shù)據(jù)上傳給上位機，上位機經(jīng)解包處理后顯示信號相應的狀態(tài)進行判斷,。

　　根據(jù)設計要求,，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。

　　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,。上位機要求顯示所采集信號的狀態(tài)。

　　2.2 模塊原理框圖

　　FPGA內(nèi)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(shù)字信號經(jīng)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(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)進行編幀，然后寫入FIFO,。USB單片機提取FIFO中的數(shù)據(jù),，通過USB電纜傳送給上位機，上位機將傳送來的數(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(nèi)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(tǒng)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