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基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

,15)这16个点的平方和,将其存储到datarsult(abcv)中。为了防止溢出,dataresult(abcv)定义28位的位矢量。然后把dataresult(abcv)中的数据进行平方的运算,结果存储在douts(i)中。开平方是利用函数sqt(a:std_logic_vector;b:integer)return std_logic_vector来实现的。a为要开方的全矢量数据;整数b用来定义输出位矢量的长度。该函数被封装成一个包(package),符合自顶向下(TopDown)的HDL语言设计思想。douts(i)是信号量,由赋值语句douts(i)<=sqt(dataresult (i);16)(i=0,…,15)可以分别求出12路信号的有效值。电压有效值和谐波分析完成以后,清ADFLAG为0。

第五部分为输出缓冲器单元。当DSP对FPGA产生读时序(FPGACS为低电平且RD下降沿来到时),FPGA根据DSP的低五位地址线A0~A4的值(对应于FPGA的chansel:std_logic_vector(4 downto 0)信号量),以及ADOR寄存器中的值,将相应的数据送到数据总线上。比如,若chansel为(00010)2,ADOR中的值为FFFFH,那么,FPGA就会将通道2的有效值douts(2送到数据总线上。

图3 FPGA的A/D控制信号时序图

3 对数字量的控制与管理

在图2系统中,假定要对16个负载进行管理,每个负载包括1个控制输出量和2个状态返回量,因此共有16路的数字量输出,32路的数字量输入。

FPGA对数字量的管理软件结构:

FPGA对数字量的控制管理也设置了三个16位的指令寄存器组。这三个指令寄存器的内部地址为03H、04H和05H.03H为开关量输出允许寄存器(KGER);04H为跳闸闭合寄存器(KGCR);05H为开关量开闭寄存器(KGIR)。

来自负载的总共32个状态反馈信号(DIN00、DIN01……DIN31)分成16组,分别接到FPGA的16个信号量dini上(i=1,2,…,15)。dini是长度为2的位矢量std_logic_vector(1 downto 0),分别对应于1个负载的两个状态反馈位。FPGA用16个进程process(din1)、process(din1)……process(din15)来对输入数字量敏感。当dini的载位电平发生变化时,进程启动,FPGA结合MCU发送的控制指令,判断负载的状态,并记录在输出数据缓冲区中。输出数据缓冲区包括16个数据存储器,这16个数据存储器在FPGA内部的地址从(10000)2到(11111)2。(100000)2单元存储的是第1个负载的状态,以此类推,(10000)2单元存储的是第16个负载的状态。每个16位数据存储器的8位固定为5AH,接下来的5位为(00000)2,只有最后3位才是负载的状态位。

当MCU读FPGA时,process(rd)进程启动。这时,如果MCU地址线A4的电平(对应于FPGA的chansel:std_logic_vector(4 downto 0)信号量的第四位)为“1”,FPGA就根据chanse1(3 downto 0)的值,将对应的数据存储器的值发送到数据总线上。MCU读回数据存储器的值后,如果前13位不是(0101101000000)2,说明产生了读错误,MCU重新再读一次。必须指出,在FPGA控制A/D采样时,读哪个通道信息也是通过A0~A3地址线区分的,但是,A4的电平为低。

MCU根据系统处于不同的状态给负载发送接通/断开指令,这是通过写FPGA的寄存器KGIR实现的。KGIR的16位依次代表16个负载,“1”为接通,“0”为断开,复位值是0000H.寄存器KGER是数字量输出的总开关,复位后为0000H,不允许数字量输出;MCU对其写入FFFFH后,允许数字量输出。FPGA给负载发去接通/断开指令后,负载将会有两个状态信号返回。FPGA结合寄存器KGIR的控制指令值,可以判定负载处于何种状态之一。如果反馈的信息为跳闸,FPGA将根据寄存器KGCR的值作出相应的处理。如果为其它信息,FPGA将不做处理,只是将状态信息存储在数据缓冲区中等待发送给权限高的MCU来决定。KGCR的复全值是0001H,表示跳闸发生后,FPGA将自动再发一次接通指令。程序运行的过程中,MCU根据任务的紧急和系统的布局,可以修改KGCR的值。如果KGCR的值为0003H,表示第一次跳闸发生后,FPGA可以重复发三次接通指令。

因为FPGA是基于RAM工艺的,在掉电后本身不能保存信息,因此需要一个外置存储芯片来保存其信息,这里采用一次可编程的PROM:XC17S100APD8I(OTP)。该PROM与Spartan-II芯片的接口只需要一个I/O;复位引脚的极性可编程(高有效或低有效);供电电压为3.3V。

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