基于FPGA的智能儀器遠程控制系統設計

目前智能儀器已廣泛應用于科研和工業生產當中，但是許多儀器分散在不同的地理位置上，不易操作和維護，并且實時跟蹤性能差，人為誤差大，數據無法保存，另外大量高檔儀表價格相當昂貴。為解決上述難題，在計算機的提示下完成操作，可以減少人為因素造成的損壞，并提高測試數據的準確度。由于智能儀器是RS 232接口，上位機用的是USB接口，所以還需由FPGA實現RS232與USB之間的接口轉換。由于FPGA可以并行處理，集成度高，可用資源豐富，所以利用FPGA進行數據處理，可以減少上位機的工作量，減少數據處理的時間，還可以縮短設計周期，減小板卡體積，以便于集成到其他板卡上。

1 控制系統及接口簡介
1．1 系統功能
在整個系統中，上位機可以實時對系統進行監控，并下發相應的命令。智能儀器傳出的數據通過RS 232接口傳送到FPGA，FPGA根據上位機下發的命令對這些數據進行判決、處理，然后經過USB接口上傳給上位機，再由上位機對FPGA處理過的數據進行顯示、存儲等操作。
1．2 USB接口芯片簡介
本設計采用的是CYPRESS半導體公司的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外圍設備解決方案。工作模式有Port，Slave FIFO和GPIFMaster三種，本方案采用Slave FIFO模式。在該模式下，外部控制器(如FPGA)可像對普通FIFO一樣對FX2中端點為2，4，6，8的數據緩沖區進行讀／寫。FX2內嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相關的寄存器，以及控制FX2何時工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件將相關的寄存器配置完畢，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部邏輯(如FPGA)即可按照Slave FIFO的傳輸時序，高速地與主機進行通信，而在通信過程中不需要8051固件的參與。
1．3 RS 232接口簡介
RS-232C標準(協議)的全稱是EIA-RS-232C標準。EIA-RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態的，與TTL以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。因此，為了能夠與計算機接口或終端的TTL器件連接，必須使EIA-RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。該設計用的是MAX3232芯片。
RS 232的數據傳輸格式如圖1所示。

RS 232傳輸格式包含起始位(1 b)、有效數據位(8 b)、奇偶校驗位(0～2 b)、停止位(1 b)。傳輸線在空閑時為高電平，因此起始位為低電平，停止位為高電平。奇偶校驗位可設置為奇校驗、偶校驗或不校驗，有效數據位是從低位開始傳送。

2 FPGA設計
2．1USB接口時序
在Slave FIFO方式下，外部邏輯與FX2的連接信號如圖2所示。