基于FPGA实现温控电路接口及其与DSP通信接口的方案

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1 引言 采用光纤陀螺的捷联惯性导航系统是一种极具发展潜力的导航系统，对于其核心部件的光纤陀螺，尤其是中高精度光纤陀螺，环境温度带来的漂移是不容忽视的，因此对系统进行温度控制很有必要。温度控制电路是整个温控系统的硬件基础，其中涉及到温度采集，与微处理器通信，串口输出，控制数模转换芯片等多个组成部分。本文提出一种高效实用的FPGA接口设计，它能够完成协调各个组成部分有序工作，准确、快速实现数据传输，严格控制信号时序等工作。 温控电路整体结构 温控电路的整体结构框图如图 1所示。其中包括七路温度传感器，DSP， 232接口芯片，DAC ，后端控制电路，上位机和FPGA等多个组成部分。FPGA接口是整个电路的核心。 其中，温度传感器采用 DALLAS公司的 DS18b20，它采用 1-wire总线协议，仅需 1根数据线进行通信。DSP采用 ti公司的TMSVC33，它可以实现高速浮点运算。232接口芯片采用MAXIM公司的max3232，支持高达 120kbps的传输速率。DAC采用 TI公司的TLV5620I，它是通过 4条串行信号控制的 8位 4路数模转换芯片。FPGA选用 altera公司的 ACEX系列的EP1K100，它时钟频率高，具有丰富内部资源，提供大量可编程 IO管脚，配置十分方便。基于 FPGA的温控电路接口在整个电路中具有非常重要的作用。FPGA本身的高速并行结构为整个电路的性能提供了可靠保证。 温控电路工作流程 温控电路的工作流程如图 2所示。FPGA与七路温度传感器通信，读取温度值，并存储于内部存储器中，每秒更新一次。FPGA发送中断信号通知 DSP读取 FPGA中存储的温度值，DSP根据当前温度值和控制算法计算出控制量。而后将温度值和控制量打包成一帧数据发送给 FPGA。FPGA将DSP发送来的数据存储在内部存储器后，对数据进行操作，生成输出信号。FPGA一方面将数据串行发送给 232接口芯片，然后通过 232串口发送给上位机。上位机可通过监视软件实时观测温度值和控制量的变化情况，方便系统调试与评估；另一方面从数据中提取出控制量，将其串行输出到DAC，数字控制信号经过 DA转换后输出模拟控制电压到后端控制电路，实现对七路温度的闭环控制。 4.FPGA与外围电路之间的通信接口 FPGA与外围电路之间的通信接口主要包括与温度传感器，DSP，232接口芯片和 DAC的通信接口四个部分。 （1） 与温度传感器的通信接口 本方案的温度传感器采用DS18B20，它通过硬件非常简单的 1-wire总线通信，由于硬件简单所以通信协议比较复杂。要实现与它的通信接口将占用大量 FPGA片内资源，而且本方案要进行七路温度采集，因此优化程序设计，减少冗余，节省资源显得尤为重要【2】。 （2） 与 DSP的通信接口 DSP与 FPGA的组合已经成为当今数字电路中非常流行的模式。FPGA非常适合与 DSP配合。本方案中，DSP与 FPGA的通信接口主要由数据总线，地址总线和一些控制信号组成。FPGA和 DSP之间由 8位数据总线连接，数据以字节形式并行传输。DSP通过地址总线对 FPGA的片内资源寻址。控制信号主要包括复位信号，中断信号和读写信号。 （3）与232接口芯片的通信接口 FPGA与 232接口芯片的通信是通过收发两条数据线实现的。本方案中，只存在温控系统到上位机的单向数据传输，故仅需一条发送数据线就可以完成与 232接口芯片的通信。 （4）与 DAC的通信接口 本方案选用 TI公司的TLV5620I芯片作为 DAC。它是8位4路电压数模转换器。对于它的数字控制基于由 4条信号线组成的串行总线。包括 CLK，DATA，LOAD和LDAC四种信号。 5FPGA的逻辑设计 在温控电路的总体方案，硬件结构，工作流程和接口协议都确定后，就可以进行 FPGA的逻辑设计了。FPGA的逻辑设计是整个温控电路接口设计的重中之重。它基于 verilog硬件描述语言。良好的 FPGA逻辑设计应该是时序清晰，运行稳定，结果明确和节省资源的。它能够保证整个系统的可靠，稳定和高效。FPGA的逻辑模块图如图 3所示。FPGA内部逻辑大致分为 RESET模块，DS18B20接口模块，总线控制模块，DSP接口模块，双口 RAM模块，232接口模块和 DAC接口模块等几部分。 （1）RESET模块 该模块生成全局复位信号。是所有模块中优先级最高的。系统上电后，该模块将复位信号拉低并持续 1秒而后拉高，对 DSP和 FPGA内部其他模块进行复位。 （2）DS18B20接口模块 该模块用于实现与 DS18B20通信，读取并存储温度值。它包含 2个子模块。 一、温度采集模块 该模块实现与 DS18B20的通信协议。首先通过一个初始化序列对 DS18B20进行初始化，包括一个由主机发出的复位脉冲和其后由从机发出的存在脉冲。探测到存在脉冲之后，代表初始化完成，模块将发送 ROM操作命令。本方案中，执行 SKIP ROM跳过 ROM匹配。之后将发送存储器操作命令。温度转化和读取温度就在这部分完成。其中每一次读写操作都需要严格按照 DS18B20的读写时隙进行。该模块复杂程度高和占用资源多，是整个 FPGA中的重要模块。本方案一共有七路温度采集模块，它们的并行结构使得系统可以方便地实现对七路温度的实时监控。 二、温度存储模块 该模块的主要构成部分是一个 14*8位存储器，用于存储七路温度数值，每一路数值需要2个8位寄存器存放。存储完毕后，等待DSP读取。 （3）DSP接口模块该模块主要用于与 DSP进行通信。它包含 3个子模块。 一、DSP写信号同步模块 DSP的数据写入在写信号控制下完成。由于 DSP和 FPGA采用不同的时钟源，所以 DSP产生的写信号无法和 FPGA的主时钟同步。这样就会导致写数据错误。该模块用于将 DSP写信号与 FPGA的主时钟同步。 二、中断生成模块 由于本方案中，温度值每秒更新一次。在温度值更新后，通过中断信号通知 DSP读取温度值。该模块用于生成周期为 1秒的中断脉冲。 三、寻址模块 该模块对 FPGA片内资源进行编址，由 DSP的地址总线控制寻址。准确读写所需的数据。 （4）总线控制模块 DSP和 FPGA之间的数据总线是双向总线，总线控制模块用于控制总线的数据流向。当DSP从 FPGA中读取温度值时，总线控制模块将温度存储模块和数据总线相连，输出数据。当 DSP向FPGA中写数据时，总线控制模块将数据总线和双口 RAM模块相连，输入数据。 （5）双口 RAM模块 该模块主要实现以下三个功能：当 DSP写数据时，将数据存储于内部存储器中；当数据存储完毕后，将其中的控制量发送给 DAC控制模块；与串口发送模块通信，将所有数据依次串行输出。 （6） 232接口模块 该模块用于实现串口数据输出，它包含 2个子模块： 一、串口波特率模块 串口通信协议要求数据收发双方有相同的波特率。该模块用于设定串口通信波特率。 二、串口发送模块 双口 RAM模块将数据存储完毕后，将给串口发送模块一个标志信号。串口发送模块接到此信号后，依次将双口 RAM模块中存储的数据串行输出。 （7）DAC接口模块 该模块包含 2个子模块： 一、DAC时钟模块 DAC需要特定频率范围的时钟来驱动。该模块用于生成驱动 DAC的时钟信号。 二、DAC控制模块 该模块用于生成DAC控制信号。它的基本原理是将双口 RAM模块输出的 7路控制量存储在内部存储器，然后根据 DAC的接口协议生成 CLK，DATA，LOAD和 LDAC等控制信号，这些信号将驱动 DAC的工作，将数字控制量转换成模拟电压值。 结束语 FPGA接口设计需要综合考虑硬件连接，工作流程，接口协议和逻辑模块等多方面因素，是一项系统工程。本文分别从以上几方面介绍了基于 FPGA的光纤陀螺惯导系统温控电路接口设计，该设计目前已应用于实际系统中。经过验证，接口满足系统要求，工作状态良好。本文所述的 FPGA接口设计方案是可靠，稳定和高效的。可为其他相关应用提供有益的借鉴。本文作者创新点：七路并行温度采集结构；多功能温控电路接口结构；温度值和控制量打包解包数据传输协议；高效稳定的多接口 FPGA逻辑设计；