基于FPGA的慣導系統溫控電路接口設計

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(gè)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(guò)硬件非常簡(jiǎn)單的1-wire 總線(xiàn)通信，由于硬件簡(jiǎn)單所以通信協(xié)議比較復雜。要實(shí)現與它的通信接口將占用大量FPGA 片內資源，而且本方案要進(jìn)行七路溫度采集，因此優(yōu)化程序設計，減少冗余，節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)成為當今數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據總線(xiàn)，地址總線(xiàn)和一些控制信號組成。FPGA 和DSP 之間由8 位數據總線(xiàn)連接，數據以字節形式并行傳輸。DSP 通過(guò)地址總線(xiàn)對FPGA的片內資源尋址?？刂菩盘栔饕◤臀恍盘?，中斷信號和讀寫(xiě)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(guò)收發(fā)兩條數據線(xiàn)實(shí)現的。本方案中，只存在溫控系統到上位機的單向數據傳輸，故僅需一條發(fā)送數據線(xiàn)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 路電壓數模轉換器。對于它的數字控制基于由4 條信號線(xiàn)組成的串行總線(xiàn)。包括CLK，DATA，LOAD 和LDAC 四種信號。

5 FPGA 的邏輯設計

在溫控電路的總體方案，硬件結構，工作流程和接口協(xié)議都確定后，就可以進(jìn)行FPGA的邏輯設計了。FPGA 的邏輯設計是整個(gè)溫控電路接口設計的重中之重。它基于verilog 硬件描述語(yǔ)言。良好的FPGA 邏輯設計應該是時(shí)序清晰，運行穩定，結果明確和節省資源的。它能夠保證整個(gè)系統的可靠，穩定和高效。FPGA 的邏輯模塊圖如圖3 所示。FPGA 內部邏輯大致分為RESET 模塊，DS18B20 接口模塊，總線(xiàn)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

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

(2)DS18B20 接口模塊

該模塊用于實(shí)現與DS18B20 通信，讀取并存儲溫度值。它包含2 個(gè)子模塊。

一、溫度采集模塊

該模塊實(shí)現與DS18B20 的通信協(xié)議。首先通過(guò)一個(gè)初始化序列對DS18B20 進(jìn)行初始化，包括一個(gè)由主機發(fā)出的復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，執行SKIP ROM 跳過(guò)ROM 匹配。之后將發(fā)送存儲器操作命令。溫度轉化和讀取溫度就在這部分完成。其中每一次讀寫(xiě)操作都需要嚴格按照DS18B20 的讀寫(xiě)時(shí)隙進(jìn)行。該模塊復雜程度高和占用資源多，是整個(gè)FPGA 中的重要模塊。本方案一共有七路溫度采集模塊，它們的并行結構使得系統可以方便地實(shí)現對七路溫度的實(shí)時(shí)監控。

二、溫度存儲模塊

該模塊的主要構成部分是一個(gè)14*8 位存儲器，用于存儲七路溫度數值，每一路數值需要2 個(gè)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(jìn)行通信。它包含3 個(gè)子模塊。