基于FPGA的采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李舟舟，王和明，王孔華

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

基于FPGA的采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李舟舟，王和明，王孔華

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

采控系統(tǒng)是現(xiàn)代武器裝備半實(shí)物仿真系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵部分，其主要功能是在主控系統(tǒng)的控制下，實(shí)時(shí)采集機(jī)柜面板可操作部件的動(dòng)作，并進(jìn)行人機(jī)界面信息的顯示。需要采集顯示的信息類型多、數(shù)量大，屬于“海量”采集控制系統(tǒng)。對(duì)采控對(duì)象進(jìn)行了分類，在分析比較現(xiàn)有采集控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以FPGA為核心設(shè)計(jì)制作了一種功能全、體積小，且具有可靠性高、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)的采控系統(tǒng)。經(jīng)過功能仿真、綜合和測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

采控系統(tǒng)，F(xiàn)PGA，單片機(jī)

0 引言

在仿真裝備中，需要實(shí)時(shí)采集裝備機(jī)柜面板可操作部件的動(dòng)作，發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行解析，并進(jìn)行人機(jī)界面信息的顯示［1］。裝備人機(jī)界面需采集顯示的信息類型多、數(shù)量大，采集控制系統(tǒng)屬于“海量”采集控制系統(tǒng)。研究如何以低成本和高可靠性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采集控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

常見仿真裝備采控系統(tǒng)的采控對(duì)象可分為以下幾種類型：各類按鈕開關(guān)輸入，手輪模球雙向計(jì)數(shù)脈沖輸入，電位器位置A/D轉(zhuǎn)換輸入；各種指示燈開關(guān)量輸出；LED或LCD指示輸出；模擬表頭D/A轉(zhuǎn)換輸出。實(shí)際系統(tǒng)中，這些采控對(duì)象的數(shù)量十分龐大，所以設(shè)計(jì)的采控系統(tǒng)應(yīng)該滿足海量采控的需求。

1.2 方案論證與比較

采控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法常采用以下幾種:一是采用集中控制方式；第2種才用集散控制方式；三是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷楹诵呐湟酝鈬娐?，外加單片機(jī)控制可編程邏輯電路工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并完成與上位機(jī)的通信。

第3種方案將由單板實(shí)現(xiàn)的采集控制功能全部集成在一塊FPGA芯片中，將FPGA中不易實(shí)現(xiàn)的控制、通信功能交由微控制器實(shí)現(xiàn)［2］。該方案一方面簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度；另一方面提高了采集系統(tǒng)的可靠性。此外，采用此種設(shè)計(jì)方案帶來的成本下降也是顯而易見的。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了第3種方案。

2 硬件設(shè)計(jì)

采控單元采用組合化、模塊化設(shè)計(jì)和統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。微控制器采用AT89C52，與FPGA通信，同時(shí)控制信號(hào)的采集［3］，選擇RS-485接口作為微控制器與主控計(jì)算機(jī)的通信接口［4］；FPGA內(nèi)部劃分為開關(guān)量采集、ADC接口、脈沖計(jì)數(shù)、指示燈控制、DAC接口、LED/LCD數(shù)碼管顯示控制模塊，并配以相應(yīng)的外圍電路，完成操作面板上開關(guān)量、模擬量、脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)的采集，以及指示燈、七段LED數(shù)碼管、表頭指示的控制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，F(xiàn)PGA內(nèi)部各模塊設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分。

圖1 基于FPGA的采控單元結(jié)構(gòu)

2.1 開關(guān)采集模塊設(shè)計(jì)

在FPGA中采用獨(dú)立開關(guān)采集方式。開關(guān)采集模塊可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)、按鍵、撥碼開關(guān)等狀態(tài)量的采集。每一個(gè)采集模塊的采集容量是48個(gè)獨(dú)立開關(guān)狀態(tài)。該模塊包含48個(gè)獨(dú)立的開關(guān)狀態(tài)采集邏輯，其中一位開關(guān)量采集邏輯的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 開關(guān)量采集模塊邏輯結(jié)構(gòu)

2.2 脈沖計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)

摸球、滾輪等定位設(shè)備產(chǎn)生的是兩串脈沖，脈沖的頻率由轉(zhuǎn)動(dòng)速度確定，其中一串為正轉(zhuǎn)脈沖，一串為反轉(zhuǎn)脈沖，兩串脈沖計(jì)數(shù)差值包含了摸球轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速率的信息。這類輸入設(shè)備的錄取就是用計(jì)數(shù)器分別對(duì)兩串脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后計(jì)算計(jì)數(shù)差值，從而獲得摸球的運(yùn)動(dòng)軌跡。

脈沖計(jì)數(shù)模塊采用十六位計(jì)數(shù)器對(duì)八路脈沖（分為四組正負(fù)脈沖）進(jìn)行獨(dú)立計(jì)數(shù)，然后分別計(jì)算每組脈沖的計(jì)數(shù)差值。計(jì)數(shù)差值輸出為有符號(hào)數(shù)原碼，數(shù)據(jù)正負(fù)分別代表正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。該模塊有四組脈沖計(jì)數(shù)單元，其中一組的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 脈沖計(jì)數(shù)模塊邏輯結(jié)構(gòu)

2.3 A/D轉(zhuǎn)換控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ADC控制部分是一個(gè)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809自動(dòng)完成轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬量采集的模塊。采用ADC0809的主要原因是該芯片可滿足一般電位器位置采集精度需要，且一片可完成8路采集。

2.4 指示控制模塊設(shè)計(jì)

仿真裝備操作面板上有各種指示燈，包括發(fā)光二極管、燈泡等，它們的指示狀態(tài)有亮、滅、閃爍，其中閃爍有快閃和慢閃之分。指示控制模塊就是用于指示燈控制的IP核。每個(gè)IP核最多可以獨(dú)立控制32個(gè)指示燈，產(chǎn)生亮、滅、快閃、慢閃4種指示效果。一路的指示控制邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。IP核的內(nèi)部寄存器列于下頁表1。

圖4 指示控制模塊邏輯結(jié)構(gòu)

表1 指示控制模塊寄存器列表

2.5 LED和LCD顯示控制模塊設(shè)計(jì)

LED數(shù)碼管和LCD顯示屏是仿真裝備上主要的數(shù)字字符的顯示器件，具有直觀、醒目和簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LED顯示控制IP核是一個(gè)LED數(shù)碼管掃描顯示控制模塊。這個(gè)IP核可以同時(shí)控制8位LED數(shù)碼管并列顯示。該IP核的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 LED和LCD顯示控制模塊邏輯結(jié)構(gòu)

2.6 D/A轉(zhuǎn)換控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的DAC控制模塊是一個(gè)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7228進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬量輸出的模塊。它可以控制一塊AD7228，實(shí)現(xiàn)八路數(shù)據(jù)的鎖存和數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信部分設(shè)計(jì)

采控單元與上位機(jī)的通信協(xié)議定義為：采用異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)，波特率為9 600 b/s，無校驗(yàn)位，1位停止位。數(shù)據(jù)封包發(fā)送，采用定長(zhǎng)方式，每個(gè)數(shù)據(jù)包由 6字節(jié)（B5~B0）組成，每字節(jié) 8位（b7~b0），高字節(jié)在前，各字節(jié)作用分別定義。上位機(jī)與采控單元的通信由上位機(jī)發(fā)起，建立通信后，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，采控單元接收上位機(jī)命令，完成相應(yīng)控制任務(wù)，同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

3.2 控制部分設(shè)計(jì)

軟件主要包括采控主程序和串口中斷服務(wù)程序兩個(gè)模塊，串口中斷服務(wù)程序用于將處理串行通信，完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。主程序完成采控系統(tǒng)主要的工作流程，包括系統(tǒng)加電初始化，監(jiān)視面板動(dòng)作，向上位機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機(jī)命令控制面板顯示狀態(tài)等。

4 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)采用單片機(jī)+FPGA作為采集控制系統(tǒng)的架構(gòu)，使用C語言、VHDL語言作為編程語言，完成了全部要求并對(duì)系統(tǒng)作了測(cè)試。

①電路板級(jí)測(cè)試：在完成硬件電路設(shè)計(jì)后，對(duì)電路板的各部分電路進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試，排除了連接和焊接故障；

②測(cè)試臺(tái)測(cè)試：為了測(cè)試采控板在整個(gè)仿真系統(tǒng)中的工作性能，專門設(shè)計(jì)了CK-I采集控制板老化測(cè)試平臺(tái)。在測(cè)試平臺(tái)上模擬仿真裝備中的各種輸入輸出信號(hào)，經(jīng)測(cè)試，設(shè)備能夠按照預(yù)定的要求進(jìn)行工作；

③測(cè)試及試用：測(cè)試臺(tái)測(cè)試之后，進(jìn)行了采集控制系統(tǒng)與仿真裝備的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。經(jīng)過測(cè)試和試用，設(shè)計(jì)的采集控制系統(tǒng)能夠有效采集仿真裝備中的各種開關(guān)輸入、A/D輸入、工作模式選擇、旋鈕指示，且LED指示輸出、LCD輸出、表頭輸出工作正常。

5 結(jié)論

該采集控制系統(tǒng)，從方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、板級(jí)測(cè)試、測(cè)試臺(tái)測(cè)試以及最后的與實(shí)際仿真裝備聯(lián)調(diào)聯(lián)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的軟硬件不足，進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)能夠完全模擬了仿真裝備的各項(xiàng)性能，并且實(shí)現(xiàn)了降低成本、提高可靠性的目標(biāo)。

［1］田濤.組件技術(shù)在基于仿真的裝備管理中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002，38（18）：226-228.

［2］林剛，林曉煥，許家棟.一個(gè)實(shí)用的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)［J］.微電子學(xué)，2002，31（1）：69-73.

［3］孫媛，郭奕崇.基于AT89C52脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（6）：100-102.

［4］陳夏清，吳燮華.應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的485總線與CAN總線比較［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17（5）：56-57.

Design and Im plementation of Acquisition-controlling System Based on FPGA

LIZhou-zhou，WANGHe-ming，WANGKong-hua
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University,Xi’an 710051，China）

Acquisition-controlling system is the key of half-material-object simulation system for modern weapons and equipments，and itsmain function is to acquire the operation on the faceplate of equipment cabinet in real time and show the information of human-computer interface.There are kinds and numbers of information that needs to be acquired，therefore,acquisition-controlling system is massive.This paper classifies the objects that needs to be acquired and controlled.On the base of analysis and comparison among modern acquisition-controlling systems，the paper uses the theory of module，designs and make an acquisition-controlling system that is with great function and high reliability,in small size and easy to be expended.FPGA is the key of this system.After functional simulation，synthesis and test，we find that all of its indexesmeet the need of our design.

acquisition-controlling system，F(xiàn)PGA，single-chip

TN709

A

1002-0640（2015）11-0139-03

2014-09-05

2014-11-07

李舟舟（1991- ），男，湖南常德人，碩士研究生。研究方向：微電子技術(shù)應(yīng)用。