基于FPGA的多路數(shù)字量采集模塊設(shè)計

關(guān)鍵字:數(shù)據(jù)采集卡, 高速數(shù)據(jù)采集卡, 采集卡, 高速采集卡, USB數(shù)據(jù)采集卡, USB采集卡

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(wù)。但當(dāng)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(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，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(shè)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(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(jī)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(qiáng)大，外圍電路設(shè)計基于簡單、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部分供電。其原理框圖如圖1所示。

　　3 模塊電路設(shè)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(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，此時由于PROM的CE為低，因此選