采用可编程逻辑器件实现温控电路接口及其与DSP通信接口的设计

采用可编程逻辑器件实现温控电路接口及其与DSP通信接口的设计（原文来源：微计算机信息

李森；张春熹；李保国；林恒在此特别鸣谢！）

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SKIPROM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