基于FPGA的慣導(dǎo)系統(tǒng)溫控電路接口設(shè)計

4 FPGA 與外圍電路之間的通信接口

FPGA 與外圍電路之間的通信接口主要包括與溫度傳感器，DSP，232 接口芯片和DAC的通信接口四個部分。

(1) 與溫度傳感器的通信接口

本方案的溫度傳感器采用DS18B20，它通過硬件非常簡單的1-wire 總線通信，由于硬件簡單所以通信協(xié)議比較復(fù)雜。要實現(xiàn)與它的通信接口將占用大量FPGA 片內(nèi)資源，而且本方案要進行七路溫度采集，因此優(yōu)化程序設(shè)計，減少冗余，節(jié)省資源顯得尤為重要。

(2) 與DSP 的通信接口

DSP 與FPGA 的組合已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)字電路中非常流行的模式。FPGA 非常適合與DSP配合。本方案中，DSP 與FPGA 的通信接口主要由數(shù)據(jù)總線，地址總線和一些控制信號組成。FPGA 和DSP 之間由8 位數(shù)據(jù)總線連接，數(shù)據(jù)以字節(jié)形式并行傳輸。DSP 通過地址總線對FPGA的片內(nèi)資源尋址。控制信號主要包括復(fù)位信號，中斷信號和讀寫信號。

(3) 與232 接口芯片的通信接口

FPGA 與232 接口芯片的通信是通過收發(fā)兩條數(shù)據(jù)線實現(xiàn)的。本方案中，只存在溫控系統(tǒng)到上位機的單向數(shù)據(jù)傳輸，故僅需一條發(fā)送數(shù)據(jù)線就可以完成與232 接口芯片的通信。

(4) 與DAC 的通信接口

本方案選用TI 公司的TLV5620I 芯片作為DAC。它是8 位4 路電壓數(shù)模轉(zhuǎn)換器。對于它的數(shù)字控制基于由4 條信號線組成的串行總線。包括CLK，DATA，LOAD 和LDAC 四種信號。

5 FPGA 的邏輯設(shè)計

在溫控電路的總體方案，硬件結(jié)構(gòu)，工作流程和接口協(xié)議都確定后，就可以進行FPGA的邏輯設(shè)計了。FPGA 的邏輯設(shè)計是整個溫控電路接口設(shè)計的重中之重。它基于verilog 硬件描述語言。良好的FPGA 邏輯設(shè)計應(yīng)該是時序清晰，運行穩(wěn)定，結(jié)果明確和節(jié)省資源的。它能夠保證整個系統(tǒng)的可靠，穩(wěn)定和高效。FPGA 的邏輯模塊圖如圖3 所示。FPGA 內(nèi)部邏輯大致分為RESET 模塊，DS18B20 接口模塊，總線控制模塊，DSP 接口模塊，雙口RAM 模塊，232 接口模塊和DAC 接口模塊等幾部分。

圖3 FPGA 的邏輯模塊圖

(1)RESET 模塊

該模塊生成全局復(fù)位信號。是所有模塊中優(yōu)先級最高的。系統(tǒng)上電后，該模塊將復(fù)位信號拉低并持續(xù)1 秒而后拉高，對DSP 和FPGA 內(nèi)部其他模塊進行復(fù)位。

(2)DS18B20 接口模塊

該模塊用于實現(xiàn)與DS18B20 通信，讀取并存儲溫度值。它包含2 個子模塊。

一、溫度采集模塊

該模塊實現(xiàn)與DS18B20 的通信協(xié)議。首先通過一個初始化序列對DS18B20 進行初始化，包括一個由主機發(fā)出的復(fù)位脈沖和其后由從機發(fā)出的存在脈沖。探測到存在脈沖之后，代表初始化完成，模塊將發(fā)送ROM 操作命令。本方案中，執(zhí)行SKIP ROM 跳過ROM 匹配。之后將發(fā)送存儲器操作命令。溫度轉(zhuǎn)化和讀取溫度就在這部分完成。其中每一次讀寫操作都需要嚴格按照DS18B20 的讀寫時隙進行。該模塊復(fù)雜程度高和占用資源多，是整個FPGA 中的重要模塊。本方案一共有七路溫度采集模塊，它們的并行結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)對七路溫度的實時監(jiān)控。

二、溫度存儲模塊

該模塊的主要構(gòu)成部分是一個14*8 位存儲器，用于存儲七路溫度數(shù)值，每一路數(shù)值需要2 個8 位寄存器存放。存儲完畢后，等待DSP 讀取。

(3)DSP 接口模塊

該模塊主要用于與DSP 進行通信。它包含3 個子模塊。