基于FPGA設(shè)計(jì)的含有多路通信串口的電壓采集系統(tǒng)

葉沉

【摘要】 電壓采集系統(tǒng)是在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中常見(jiàn)的一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制和無(wú)線廣播發(fā)射機(jī)控制等領(lǐng)域。基于FPGA設(shè)計(jì)的含有多路通信串口的電壓采集系統(tǒng)是以FPGA為核心器件，通過(guò)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)模擬電壓進(jìn)行采樣，將采樣結(jié)果通過(guò)多路串口傳輸?shù)蕉鄠€(gè)上位機(jī)的一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在FPGA內(nèi)部復(fù)用功能模塊的方式，在一個(gè)系統(tǒng)中提供多達(dá)八個(gè)通信串口資源，解決了在需要多個(gè)串口同時(shí)上傳數(shù)據(jù)的情況下，有些電壓采集系統(tǒng)通信串口數(shù)量不足的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 FPGA 電壓采集 模數(shù)轉(zhuǎn)換 多路通信串口

在對(duì)無(wú)線廣播發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控時(shí)，需要對(duì)發(fā)射機(jī)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓量進(jìn)行采集，并將采集到的多組電壓值上傳至監(jiān)控平臺(tái)的多個(gè)PC端進(jìn)行分析和顯示。基于FPGA設(shè)計(jì)的含有多路通信串口的電壓采集系統(tǒng)是一個(gè)能夠采集八路模擬電壓量的電壓采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的模擬電壓輸入范圍為±5V，允許最大誤差為±0.005V，最大可提供八個(gè)通信串口，很好的滿足了對(duì)無(wú)線廣播發(fā)射機(jī)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓量進(jìn)行采集和傳輸?shù)男枨蟆！?/p>

該電壓采集系統(tǒng)采用Xilinx公司推出的Virtex5系列FPGA產(chǎn)品作為設(shè)計(jì)載體，在FPGA內(nèi)部復(fù)用設(shè)計(jì)了八個(gè)串口通信模塊，每個(gè)模塊可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)一路串口的收發(fā)功能，串口波特率設(shè)置均為19200，數(shù)據(jù)位為8bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)，停止位1bit。

由于FPGA屬于并行邏輯電路結(jié)構(gòu)，各個(gè)串口模塊可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)而不會(huì)相互影響，利用FPGA支持的調(diào)用IP核設(shè)計(jì)方式，在每個(gè)串口模塊的前端，為發(fā)送和接收端分別配置一個(gè)FIFO模塊，用于對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。通過(guò)對(duì)FIFO的IP核進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置，為每一個(gè)串口模塊設(shè)計(jì)出FIFO緩沖單元，提高了各路串口的傳輸效率，從而簡(jiǎn)單有效的完成各路串口的數(shù)據(jù)緩沖功能設(shè)計(jì)。

根據(jù)對(duì)模擬電壓量的采樣需求，電壓采樣系統(tǒng)需要提供100kpps以上的采樣率才能夠滿足系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求，綜合考慮模擬電壓范圍為±5V，允許最大誤差±0.005V等設(shè)計(jì)要求，該電壓采集系統(tǒng)采用型號(hào)為AD7892的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，配合多路模擬量選通器件實(shí)現(xiàn)八路模擬電壓量的采樣功能。

AD7892是一款12位的支持雙極性輸入的ADC芯片，提供串行接口和并行接口兩種輸出方式。為實(shí)現(xiàn)最佳的數(shù)據(jù)傳輸效率，該電壓采集系統(tǒng)選用的是12…bit的并行接口方式完成ADC芯片與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸。

單次的采樣過(guò)程為FPGA控制多路模擬量選通器，將已經(jīng)經(jīng)過(guò)濾波的一路模擬電壓輸入信號(hào)選通至AD7892芯片的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，ADC芯片將12…bit的模擬電壓值通過(guò)并行總線輸出，同時(shí)給出輸出有效標(biāo)志信號(hào)。

FPGA通過(guò)判斷該標(biāo)志信號(hào)狀態(tài)，在標(biāo)志位有效的情況下將并行總線上12…bit的模擬電壓數(shù)據(jù)鎖存到FPGA內(nèi)部的觸發(fā)器中，然后通過(guò)添位擴(kuò)充的方式將12…bit的數(shù)據(jù)擴(kuò)充到16…bit，轉(zhuǎn)換成兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，以便于按字節(jié)進(jìn)行傳輸。

具體采用的擴(kuò)充方式為將12…bit數(shù)據(jù)中的高位6個(gè)bit前面補(bǔ)充2個(gè)bit的‘0，構(gòu)成“00xxxxxx”樣式的一個(gè)高字節(jié)數(shù)據(jù)，再將12…bit數(shù)據(jù)中的低位6個(gè)bit前面補(bǔ)充2個(gè)bit的‘1，構(gòu)成“11xxxxxx”樣式的一個(gè)低字節(jié)數(shù)據(jù)。

擴(kuò)充好個(gè)兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)首先按順序依次存入串口的發(fā)送FIFO中進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，待該路串口的發(fā)送端沒(méi)有數(shù)據(jù)待發(fā)送時(shí)，系統(tǒng)從FIFO中讀取數(shù)據(jù)到串口發(fā)送端進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

PC端通過(guò)串口接收到該路的數(shù)據(jù)后，對(duì)每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的前2個(gè)bit進(jìn)行判別，并按照先處理“00xxxxxx”字節(jié)得到高位的6個(gè)bit采樣數(shù)據(jù)，后處理“11xxxxxx”字節(jié)得到地位的6個(gè)bit采樣數(shù)據(jù)，按先后順序便可以還原出單路一次采樣得到的12…bit的模擬電壓值。

傳統(tǒng)的電壓采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通常采用的是單片機(jī)或DSP處理器與ADC芯片組合的設(shè)計(jì)方式，這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)工具支持C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，便于對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試，開(kāi)發(fā)成本較低。

但由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求的特殊性，系統(tǒng)需要同時(shí)提供八個(gè)通信串口，并且要求能夠?qū)崟r(shí)的將采集數(shù)據(jù)上傳至多個(gè)PC終端，而單片機(jī)或DSP處理器一般只提供2個(gè)到3個(gè)串口外設(shè)。

雖然通過(guò)軟件編程方式可以再額外模擬出幾路串口，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信速度都會(huì)大大降低，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需求。

采用Virtex5系列FPGA作為該電壓采集系統(tǒng)的核心電路，與12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7892的組合既實(shí)現(xiàn)了多串口通信，又達(dá)到了很好的硬件處理能力，拓展了電壓采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]…徐文波，田耘.《Xilinx…FPGA開(kāi)發(fā)使用教程》.…2012

[2]…薛小剛，葛毅敏.《Xilinx…ISE…9.X…FPGA/CPLD設(shè)計(jì)指南》….…2007

[3]…孫航，胡靈博，于聯(lián)鋒，樊彧.《Xilinx可編程邏輯器件應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計(jì)》.…2008