基于FPGA的智能仪器远程控制系统设计

目前智能仪器已广泛应用于科研和工业生产当中，但是许多仪器分散在不同的地理位置上，不易操作和维护，并且实时跟踪性能差，人为误差大，数据无法保存，另外大量高档仪表价格相当昂贵。为解决上述难题，在计算机的提示下完成操作，可以减少人为因素造成的损坏，并提高测试数据的准确度。由于智能仪器是RS 232接口，上位机用的是USB接口，所以还需由FPGA实现RS232与USB之间的接口转换。由于FPGA可以并行处理，集成度高，可用资源丰富，所以利用FPGA进行数据处理，可以减少上位机的工作量，减少数据处理的时间，还可以缩短设计周期，减小板卡体积，以便于集成到其他板卡上。

1 控制系统及接口简介
1．1 系统功能
    在整个系统中，上位机可以实时对系统进行监控，并下发相应的命令。智能仪器传出的数据通过RS 232接口传送到FPGA，FPGA根据上位机下发的命令对这些数据进行判决、处理，然后经过USB接口上传给上位机，再由上位机对FPGA处理过的数据进行显示、存储等操作。
1．2 USB接口芯片简介
    本设计采用的是CYPRESS半导体公司的EZ-USBFX2系列芯片CY7C68013。CY7C68013是一款高性能USB 2．0微控制器，它提供了全面的USB 2．0外围设备解决方案。工作模式有Port，Slave FIFO和GPIFMaster三种，本方案采用Slave FIFO模式。在该模式下，外部控制器(如FPGA)可像对普通FIFO一样对FX2中端点为2，4，6，8的数据缓冲区进行读／写。FX2内嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相关的寄存器，以及控制FX2何时工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件将相关的寄存器配置完毕，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部逻辑(如FPGA)即可按照Slave FIFO的传输时序，高速地与主机进行通信，而在通信过程中不需要8051固件的参与。
1．3 RS 232接口简介
    RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准。EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态的，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够与计算机接口或终端的TTL器件连接，必须使EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。该设计用的是MAX3232芯片。
    RS 232的数据传输格式如图1所示。

    RS 232传输格式包含起始位(1 b)、有效数据位(8 b)、奇偶校验位(0～2 b)、停止位(1 b)。传输线在空闲时为高电平，因此起始位为低电平，停止位为高电平。奇偶校验位可设置为奇校验、偶校验或不校验，有效数据位是从低位开始传送。

2 FPGA设计
2．1USB接口时序
    在Slave FIFO方式下，外部逻辑与FX2的连接信号如图2所示。

    在Slave FIFO模式下，CY7C68013芯片为端口2，4，6，8提供满空标志位FLAGA，FLAGB，FLAGC，FLAGD。IFCLK为FX2输出的时钟，可作通信的同步时钟；SLCS为FIFO的片选信号；SLOE为FIFO输出使能；SLRD为FIFO读信号；SLWR为FIFO写信号。对FPGA来说，4个端口分别为4个FI-FO。FPGA检测4个满空标志位来分别对相应的FIFO进行读／写。FPGA可以选择同步或异步读／写，在该设计中采用异步读／写。在异步Slave FIFO写时，时钟由FPGA提供。数据在SLWR的每个有效一无效的跳变沿时被写入，FIFO写指针递增。异步Slave FIFO读时，FIFO读指针在SLRD的每个有效一无效的跳变沿时递增以改变数据。
2．2 FPGA程序设计
    FPGA设计是整个系统的核心部分，由VHDL语言实现。FPGA实现了USB与RS 232接口的转换、数据的处理、命令的传输等功能。有了上面的接口时序，便可以进行FPGA设计。FPGA部分的总体设计如图3所示。

    模块介绍：
    USB与FPGA接口模块：USB与FPGA之间的接口转换模块，主要功能为将USB接口传过来的信息缓存到FPGA内部FIFO，并将由数据处理模块处理过的数据传给USB芯片。即产生控制信号读／写USB芯片内部FIFO。可以由读／写FIFO两个有限状态机实现。以读取CY7C68013芯片内数据为例，根据异步读USB内的FIFO时序图可分为4个状态：空闲态、选择地址态、准备读数据态、读数据态、读取后状态。在空闲态，当读事件发生时进入选择地址态；在选择地址态，使FIFOADR[1：O]指向OUT FIFO，进入准备读数据态；在准备读数据态，如FIFO空，在本状态等待，否则进入读数据态；在读数据态，使SLOE，SLRD有效，从数据线上读数，再使SLRD无效，以递增FIFO读指针，再使SLOE无效，进入读取后状态；在读取后状态，如需传输更多的数，进入准备读数据态，否则进入空闲态。
    USB数据缓存模块：用来缓存计算机发给智能仪器的指令等信息。是由FPGA芯片的IP核生成的先入先出存储器FIFO。容量为8b×512dept-h。占用1个块RAM资源。
    RS 232数据缓存模块：用来缓存由智能仪器发出的数据。是由FPGA IP核生成的先入先出存储器FIFO。容量为8 b×512 depth，占用1个块RAM资源。
    RS 232与FPGA接口模块：RS 232与FPGA之间的接口转换模块。主要功能为进行串／并和并／串转换。将USB数据缓存模块中缓存的内容以合适的速率通过串口发给智能仪器，并将智能仪器发出的数据缓存到RS 232数据缓存模块中。此模块也是由两个状态机实现。串口通信必须要设定波特率，这里采用的波特率为9 600 Kb／s，采用的时钟为50 MHz，相当于传送1位数据需要约5 028个时钟周期，这里采用减法计数器来控制，即计数器计到5 028个时钟周期后，就开始传输下一位数据。
    数据处理模块：主要功能为根据上位机的指令对RS 232数据缓存中的数据做出相应的处理。处理后再向上位机传。主要的处理方式有定时取数、平滑处理等。实现方式由状态机等实现。FPGA顶层模块：主要负责各模块间数据流的流向。以及与外部芯片相连的输入输出信号的定义。
    系统在工作时，在采集数据上传上位机时，数据通道为：智能仪器发送的数据通过RS 232接口模块存在RS232数据缓存模块中缓存。当缓存到一定的数据量后，再通过数据处理模块连续的读取FIFO中的数据并根据上位机发送的命令进行相应的数据处理，然后将处理的数据通过USB与FPGA接口模块传给USB接口。在上位机下发控制命令时，数据通道为：上位机发送的命令通过USB口传给FPGA的RS 232与FPGA接口模块，此模块判断是数据处理指令还是控制仪器指令。如果是数据处理指令，则传向数据处理模块让其按要求进行数据处理。如果是控制仪器指令，则将其存入USB数据缓存模块中，再由RS 232与FPGA接口模块读取，转成RS2322格式后传出。由于RS 232接口速度比USB接口慢，用FPGA内部的异步时钟FIFO解决速率匹配问题。将通过RS 232传过来的数据缓存在FIFO中，然后存到一定数据量后再全部连续的取出，如此往复，从而实现数据的连续采集及上位机的实时显示。将通过USB传过来的数据放在另一个FIFO中缓存，让FPGA按照RS232的速率进行读取。这样可以防止RS 232的速度跟不上USB的速度而产生的数据丢失。

3 仿真结果
    FPGA采用的系统时钟频率为50 MHz，仿真工具为Modelsim SE 6．5a，仿真用数据为连续的8 b数据。仿真结果如图4所示。

    图4为FPGA读USB内部FIFO的仿真结果，DATA为模拟从USB口接到的数据，该数据已存在于USB芯片的FIFO中。FIFODATA为FPGA接到的数据，由上可以看出，FPGA可以将USB接受到的数据解析出来。
    图5为RS 232与FPGA接口部分仿真结果。可以看出，由RS 232接收串行数据RXD已经转换为并行数据din。程序中是在一个有效字节结束后将其存入FIFO中，由图可以验证。图6顶层模块仿真图，为了验证由FPGA发出的数据能正确的接受到，先由FPGA内部发数据，然后通过RS 232的TXD端口发出，让RXD与TXD相连再接收，可以看出发出的数据可以被正确的接收回来并传向USB接口，说明时序正确。同理可以验证USB端的收发时序。

4 结语
    本文采用FPGA实现了USB与RS 232间的接口转换及数据处理的功能。设计中先入先出存储器的运用解决了数据的缓存的和速率匹配问题，有限状态机的运用使得程序设计更加清晰可靠。该设计将复杂的信号运算集中在FPGA中完成，利用FPGA独特的并行处理能力，减小上位机工作量的同时，提高了系统运行速度。