基于FPGA的多路數字量采集模塊設計

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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技術的多路數字量采集模塊。利用FPGA的I／O端口數多且可編程設置的特點，配以VHDL編寫的FPGA內部邏輯，實現采集多路數字量信號。

　　2 模塊設計方案

　　2.1 功能要求

　　該數字量采集模塊主要功能是采集輸入的36路數字及脈沖信號，并將編幀后的信號數據上傳給上位機，上位機經解包處理后顯示信號相應的狀態(tài)進行判斷。

　　根據設計要求，所測量的36路數字信號中，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路數字信號經光電隔離器進入FPGA主控單元，以供采集；FPGA處理采集到的信號，轉換成數據進行編幀，然后寫入FIFO。USB單片機提取FIFO中的數據，通過USB電纜傳送給上位機，上位機將傳送來的數據解幀，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