基于SOPC技術(shù)的多通道實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)

　　2.4 FPGA邏輯控制模塊

　　基于FPGA的采集控制單元，采用自頂而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，使用Verilog HDL語言完成各控制模塊的設(shè)計(jì)。FPGA邏輯控制模塊包括A/D采樣控制模塊、FIFO讀寫控制模塊和SPC3控制模塊。

　　2.4.1 A/D采樣控制模塊

　　A/D采樣控制模塊負(fù)責(zé)控制外部ADS8402芯片多路模擬輸入量的選通，并實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D采樣過程的合理控制。

　　由于ADS8402對(duì)16通道的模擬量采取分時(shí)轉(zhuǎn)換的方式，因此在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的同時(shí)還要進(jìn)行通道選擇。ADS8402設(shè)置了4根通道地址線A0、A1、A2、A3，以及地址鎖存允許信號(hào)ALE.當(dāng)ALE變高時(shí)，鎖存由A0、A1、A2、A3編碼所確定的通道號(hào)，將該通道的模擬量接入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。依據(jù)這樣的特性，設(shè)計(jì)一個(gè)帶復(fù)位端的十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)輸出端Q3、Q2、Q1、Q0分別與ADS8402的4根地址線相連。計(jì)數(shù)器上電復(fù)位以確保系統(tǒng)從0號(hào)通道開始采樣。將ADS8402的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一路轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)下一路模擬輸入的采樣控制。

　　圖2 ADS8402采樣控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　A/D采樣過程的控制采用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，把某一通道的采樣過程劃分為7個(gè)狀態(tài)，如圖2所示。首先S0狀態(tài)對(duì)各個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行初始化。在S1狀態(tài)產(chǎn)生ALE信號(hào)的上升沿，鎖存通道地址。啟動(dòng)信號(hào)START應(yīng)在產(chǎn)生ALE信號(hào)的同一時(shí)鐘下降沿產(chǎn)生，由于VHDL語言在同一進(jìn)程內(nèi)不允許時(shí)鐘的兩個(gè)沿作為敏感變量，所以將產(chǎn)生START信號(hào)單列為一個(gè)狀態(tài)S2，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，ADS8402使EOC置為低電平，設(shè)置S3狀態(tài)等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入S4狀態(tài)，開啟輸出允許OE.狀態(tài)機(jī)進(jìn)入S5狀態(tài)，開啟數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)LOCK鎖存數(shù)據(jù)。為產(chǎn)生與其他進(jìn)程通信的信號(hào)，狀態(tài)機(jī)設(shè)置S6作為最后一個(gè)狀態(tài)，然后跳轉(zhuǎn)回SO初始狀態(tài)。

　　2.4.2 FIFO讀寫控制模塊

　　采用2片F(xiàn)IFO輪流讀寫操作，實(shí)現(xiàn)FPGA與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)緩存。乒乓傳輸控制原理示意圖如圖3所示，圖中的實(shí)線箭頭與虛線箭頭分別代表不同的讀寫數(shù)據(jù)周期。輸入數(shù)據(jù)流通過輸入數(shù)據(jù)流選擇單元，等時(shí)地將數(shù)據(jù)流分配到FIFO1、FIFO2中。在第1個(gè)緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到FIFO1.在第2個(gè)緩沖周期，通過輸入數(shù)據(jù)流選擇單元的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到FIFO2，與此同時(shí)，將FIFO1緩存的第1個(gè)周期的數(shù)據(jù)通過輸出數(shù)據(jù)流選擇單元的選擇，送到數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊被運(yùn)算處理。在第3個(gè)緩沖周期，通過輸入數(shù)據(jù)流選擇單元的再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到FIFO1，與此同時(shí)，將FIFO2緩存的第2個(gè)周期的數(shù)據(jù)通過輸出數(shù)據(jù)流選擇單元的切換，送到數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊被運(yùn)算處理。如此循環(huán)，周而復(fù)始。

　　圖3 FIFO乒乓傳輸控制原理

　　2.4.3 SPC3控制模塊

　　由于SPC3集成了完整的DP協(xié)議，因此在進(jìn)行通信時(shí)，F(xiàn)PGA不用參與處理DP狀態(tài)機(jī)。主要任務(wù)是根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷，將SPC3接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，組織要通過SPC3發(fā)給的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求組織外部診斷。在SPC3正常工作之前，需要進(jìn)行初始化，以配置需要的寄存器，包括設(shè)置協(xié)議芯片的中斷允許，寫入從站識(shí)別號(hào)和地址，設(shè)置SPC3方式寄存器，設(shè)置診斷緩沖區(qū)，配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始化長度，并根據(jù)以上初始值得出各個(gè)緩沖區(qū)的指針和輔助緩沖區(qū)的指針。通信模塊的控制流程如圖4所示。

　　圖4 通信模塊控制流程

　　3系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　3.1 Nios II系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　Nios II系統(tǒng)模塊包含：Nios II處理器、Avalon總線、并行輸入/輸出口PIO、串行外圍設(shè)備接口SPI、定時(shí)器Timer、片內(nèi)存儲(chǔ)器EPCS、片外存儲(chǔ)器SDRAM、PROFIBUS-DP的客戶定制邏輯。由Nios II處理器完成程序控制，主要負(fù)責(zé)對(duì)溫度的采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作，并控制PROFIBUS -DP的通信過程。其架構(gòu)如圖5所示。

　　圖5 Nios II系統(tǒng)架構(gòu)