基于FPGA的串行總線的信號發送卡設計

趙宏鈞，陸健，張樂年

(1.河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠，河南 許昌461000;2.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016)

0 引言

努力自主創新、實現重點跨越成為引領未來科學技術發展的方向，煙草產業同樣需要技術創新。在自動化程度越來越高的市場環境下，煙草設備自動化程度的提高也迫在眉睫。基于FPGA的串行總線系統是煙草設備自動化控制的核心系統，其硬件部分主要包括信號發送卡和信號接收卡，本文主要討論信號發送卡的設計。信號發送卡通過PCI接口，插入工控機的PCI插槽中，實現將圖像處理結果的并行信號轉為串行信號發出;遠程的信號接收卡通過帶有連接器的雙絞線和發送卡相連，將串行信號再轉成并行信號經過驅動后通過扁平電纜和剔除閥相連接，實現將信號發送卡傳來的串行信號還原為并行信號，并發送給剔除閥，同時驅動閥工作。這樣，工控機通過基于FPGA的串行總線控制遠程剔除閥工作。

基于FPGA設計的串行總線的信號發送卡能實現實時高速通信，簡化設備，有效降低設備的誤剔率，提高生產效率。本文將介紹信號發送卡的原理設計。

1 信號發送卡原理設計

信號發送卡的硬件設計采用FPGA為主要核心部件。信號發送卡的電路設計要求主要有三點：1)成為PCI總線的從設備，接收工控機發出的并行異物剔除信號;2)將接收的并行信號轉為串行信號發出;3)保證發出的串行信號的實時性與完整性。根據以上的功能需求設計的信號發送卡原理圖主要由電平轉換電路，端口地址設定與串行速率調節電路以及數據串行輸出電路組成。

2 電平轉換電路設計

本課題為信號發送卡選用的是Lattice公司生產的LFXP－6型FPGA芯片，該芯片支持3.3 V的電平，而PCI接口芯片CH365支持的是5 V的電平，為了使PCI接口電路能與FPGA芯片成功對接，需在CH365芯片和FPGA芯片之間添加一個電平轉換芯片，這種根據芯片各自的電氣特性設計的電路，能使FPGA順利的讀取PCI總線上的數據，進行下一步操作。該電平轉換芯片選用的是SN74CB3T16210型號的芯片，該芯片的一些特點已有介紹。電平轉換電路的原理圖如圖1所示。

在圖1中，電平轉換芯片SN74CB3T16210的數據輸出引腳1B1－1B7與FPGA的I/O引腳I/O40－I/O47相連，編號為32的GND端口和FPGA的編號為79的GND端口相連;芯片的地址輸出引腳1B9、1B10、2B1－2B7和2B9與FPGA的I/O引腳I/O48－I/O53、I/O55－57和I/O60相連。這一連接成功的實現了電平轉換，當工控機有圖像數據處理結果信號輸出時，FPGA能通過CH365成為PCI總線的從設備，從總線接收數據處理結果信號。

3 端口地址設定與串行速率調節電路設計

本課題選用了DS－8和DS－4型的兩個撥碼開關，其中DS－8撥碼開關用于設定端口地址，DS－4用于微調信號串行傳輸速率。端口地址設定與串行速率調節電路的原理圖如圖2所示，兩個撥碼開關的一端接電源，另外一端接有阻值為10 K的下拉電阻。撥碼開關接有下拉電阻的一端和FPGA的I/O引腳相連，其中DS－8撥碼開關與FPGA的引腳I/O136－I/O142和GND相連，DS－4撥碼開關與FPGA的引腳I/O132－I/O134和GND相連。

當PCI局部總線向信號發送卡發送數據時先向FPGA發送觸發脈沖，通知FPGA準備接收數據。在接收數據前，FPGA首先需要對PCI局部總線發出的端口地址做判斷，然后將接收到的數據存入寄存器中。基于這樣的功能需求，本課題選用撥碼開關設定端口地址。FPGA選取10位地址信號中的5位與撥碼開關設定的值做比較，如果值相同，再根據其余5位地址信號向FPGA的四個寄存器中存入數據。

硬件電路是通過晶振的震蕩頻率產生脈沖信號的。晶振的震蕩頻率是固定的，但是電路中的信號傳輸速率需要根據需求調節，所以需要設計分頻獲得合適的信號傳輸速率。為了從硬件和軟件雙渠道精確的控制信號傳輸速率，選擇撥碼開關設定值，并將該值與程序中為分頻設計的值相加，共同調節速率。

圖1 電平轉換電路

圖2 端口地址設定與串行速率調節電路

4 數據串行輸出電路設計

數據串行輸出電路主要有三部分組成：FPGA芯片、三態緩沖器，光電耦合器。其中本課題選擇的三態緩沖器的型號為74HC244。光電耦合器是依靠光電轉換來實現信號傳輸的，所以在傳輸電信號的時候能夠很好的將輸入和輸出電信號隔離開來。這樣的電氣結構使得輸入信號和輸出信號相隔離，并且將信號傳遞的方向被單一化，使得光電耦合器具備了電絕緣能力和抗干擾的能力。

光耦電路與FPGA芯片的連接電路如圖3所示，74HC244芯片是光電耦合器和FPGA芯片的橋梁。74HC244芯片的1G和2G引腳分別接地，使得輸入端和輸出端保持相同的狀態。輸入端引腳A1－A4和B1－B4分別與FPGA的I/O引腳I/O124－I/O131相連，輸出端與8組光電耦合器相連接。其中，1Y3引腳連接的光電耦合電路用于傳輸幀同步信號，1Y2引腳連接的光電耦合電路用于傳輸位同步信號，1Y1和2Y1－2Y4引腳連接的5路光電耦合電路均用于傳輸串行數據，且每路串行數據均為32位，1Y1引腳連接的光電耦合電路作為備用數據傳輸電路。光電耦合器的另一端和2個并聯的9針串口連接器相連接，并接有阻值為10 KΩ的上拉電阻。

圖3 數據串行輸出電路

5 結論

研制開發基于FPGA的串行總線，取代原有的剔除閥信號并行傳輸控制系統，順應了提高煙草異物剔除設備自動化程度的需求。其中基于FPGA設計的信號發送卡保證了串行總線實現將異物剔除系統中經工控機處理后的異物剔除信息高效的傳輸給剔除閥控制單元，最終實現精確剔除異物的目的。此研究結果將現場的并行傳輸方案改變為串行總線方式的傳輸方案，削減了物理元器件的數量，系統結構更為簡單，設備的現場安裝及布線工作大為簡化，可以實現設備的遠程控制，方便設備今后的維護、升級工作。

［1］羅力凡，常春藤.基于VHDL的FPGA開發快速入門·技巧·實例［M］.北京：人民郵電出版社，2009：2-6.

［2］Lattice Co.XP handbook.［OL］.http：//www.latticesemi.com.cn，2006.

［3］Brown S，Rose J.Architecture of FPGA and CPLD.IEEE Design and Test of Computers，1996：42-57.

［4］梁成志，王誠，趙延賓.Lattice FPGA/CPLD設計［M］.北京：人民郵電出版社，2011：2-9.

［5］楊恒.FPGA/CPLD最新使用技術指南［M］.北京：清華大學出版社，2005：12-15.

［6］楊林楠.基于FPGA的高速多路數據采集系統的設計［J］.計算機工程，2007(7)：35-37.