基于FPGA的光纖陀螺慣導系統(tǒng)溫控電路接口設計

1 引言

采用光纖陀螺的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膶Ш较到y(tǒng)，對于其核心部件的光纖陀螺，尤其是中高精度光纖陀螺，環(huán)境溫度帶來的漂移是不容忽視的，因此對系統(tǒng)進行溫度控制很有必要。溫度控制電路是整個溫控系統(tǒng)的硬件基礎，其中涉及到溫度采集，與微處理器通信，串口輸出，控制數模轉換芯片等多個組成部分。本文提出一種高效實用的FPGA 接口設計，它能夠完成協(xié)調各個組成部分有序工作，準確、快速實現數據傳輸，嚴格控制信號時序等工作。

　　2 溫控電路整體結構

溫控電路的整體結構框圖如圖1 所示。其中包括七路溫度傳感器，DSP， 232 接口芯片，DAC ，后端控制電路，上位機和FPGA 等多個組成部分。FPGA 接口是整個電路的核心。

圖1 溫控電路的整體結構框圖

　　其中，溫度傳感器采用DALLAS 公司的DS18B20，它采用1-wire 總線協(xié)議，僅需1 根數據線進行通信。DSP 采用TI 公司的TMSVC33,它可以實現高速浮點運算。232 接口芯片采用MAXIM 公司的MAX3232，支持高達120kbps 的傳輸速率。DAC 采用TI 公司的TLV5620I，它是通過4 條串行信號控制的8 位4 路數模轉換芯片。FPGA 選用ALTERA 公司的ACEX 系列的EP1K100，它時鐘頻率高，具有豐富內部資源，提供大量可編程IO 管腳，配置十分方便。基于FPGA 的溫控電路接口在整個電路中具有非常重要的作用。FPGA 本身的高速并行結構為整個電路的性能提供了可靠保證。

　　3 溫控電路工作流程

溫控電路的工作流程如圖2 所示。FPGA 與七路溫度傳感器通信，讀取溫度值，并存儲于內部存儲器中，每秒更新一次。FPGA 發(fā)送中斷信號通知DSP 讀取FPGA 中存儲的溫度值，DSP 根據當前溫度值和控制算法計算出控制量。而后將溫度值和控制量打包成一幀數據發(fā)送給FPGA。FPGA 將DSP 發(fā)送來的數據存儲在內部存儲器后，對數據進行操作，生成輸出信號。

FPGA 一方面將數據串行發(fā)送給232 接口芯片，然后通過232 串口發(fā)送給上位機。上位機可通過監(jiān)視軟件實時觀測溫度值和控制量的變化情況，方便系統(tǒng)調試與*估；另一方面從數據中提取出控制量，將其串行輸出到DAC，數字控制信號經過DA 轉換后輸出模擬控制電壓到后端控制電路，實現對七路溫度的閉環(huán)控制。

圖2 溫控電路的工作流程

　　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，它通過硬件非常簡單的1-wire 總線通信，由于硬件簡單所以通信協(xié)議比較復雜。要實現與它的通信接口將占用大量FPGA 片內資源，而且本方案要進行七路溫度采集，因此優(yōu)化程序設計，減少冗余，節(jié)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，地址總線和一些控制信號組成。FPGA 和DSP 之間由8 位數據總線連接，數據以字節(jié)形式并行傳輸。DSP 通過地址總線對FPGA的片內資源尋址。控制信號主要包括復位信號，中斷信號和讀寫信號。

(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收發(fā)兩條數據線實現的。本方案中，只存在溫控系統(tǒng)到上位機的單向數據傳輸，故僅需一條發(fā)送數據線就可以完成與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 條信號線組成的串行總線。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，就可以進行FPGA的邏輯設計了。FPGA 的邏輯設計是整個溫控電路接口設計的重中之重。它基于verilog 硬件描述語言。良好的FPGA 邏輯設計應該是時序清晰，運行穩(wěn)定，結果明確和節(jié)省資源的。它能夠保證整個系統(tǒng)的可靠，穩(wěn)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(tǒng)上電后，該模塊將復位信號拉低并持續(xù)1 秒而后拉高，對DSP 和FPGA 內部其他模塊進行復位。

(2)DS18B20 接口模塊

該模塊用于實現與DS18B20 通信，讀取并存儲溫度值。它包含2 個子模塊。

一、溫度采集模塊

該模塊實現與DS18B20 的通信協(xié)議。首先通過一個初始化序列對DS18B20 進行初始化，包括一個由主機發(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(zhí)行SKIP ROM 跳過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。其中每一次讀寫操作都需要嚴格按照DS18B20 的讀寫時隙進行。該模塊復雜程度高和占用資源多，是整個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(tǒng)可以方便地實現對七路溫度的實時監(jiān)控。

二、溫度存儲模塊

該模塊的主要構成部分是一個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 進行通信。它包含3 個子模塊。

一、DSP 寫信號同步模塊

DSP 的數據寫入在寫信號控制下完成。由于DSP 和FPGA 采用不同的時鐘源，所以DSP產生的寫信號無法和FPGA 的主時鐘同步。這樣就會導致寫數據錯誤。該模塊用于將DSP 寫信號與FPGA 的主時鐘同步。

二、中斷生成模塊

由于本方案中，溫度值每秒更新一次。在溫度值更新后，通過中斷信號通知DSP 讀取溫度值。該模塊用于生成周期為1 秒的中斷脈沖。

三、尋址模塊

該模塊對FPGA 片內資源進行編址，由DSP 的地址總線控制尋址。準確讀寫所需的數據。

(4)總線控制模塊

DSP 和FPGA 之間的數據總線是雙向總線，總線控制模塊用于控制總線的數據流向。當DSP 從FPGA 中讀取溫度值時，總線控制模塊將溫度存儲模塊和數據總線相連，輸出數據。當DSP 向FPGA 中寫數據時，總線控制模塊將數據總線和雙口RAM 模塊相連，輸入數據。

(5)雙口RAM 模塊

該模塊主要實現以下三個功能：當DSP 寫數據時，將數據存儲于內部存儲器中；當數據存儲完畢后，將其中的控制量發(fā)送給DAC 控制模塊；與串口發(fā)送模塊通信，將所有數據依次串行輸出。

(6) 232 接口模塊

該模塊用于實現串口數據輸出，它包含2 個子模塊：

一、串口波特率模塊

串口通信協(xié)議要求數據收發(fā)雙方有相同的波特率。該模塊用于設定串口通信波特率。

二、串口發(fā)送模塊

雙口RAM 模塊將數據存儲完畢后，將給串口發(fā)送模塊一個標志信號。串口發(fā)送模塊接到此信號后，依次將雙口RAM 模塊中存儲的數據串行輸出。

(7)DAC 接口模塊

該模塊包含2 個子模塊：

一、DAC 時鐘模塊

DAC 需要特定頻率范圍的時鐘來驅動。該模塊用于生成驅動DAC 的時鐘信號。

二、DAC 控制模塊

該模塊用于生成DAC 控制信號。它的基本原理是將雙口RAM 模塊輸出的7 路控制量存儲在內部存儲器，然后根據DAC 的接口協(xié)議生成CLK,DATA,LOAD 和LDAC 等控制信號，這些信號將驅動DAC 的工作，將數字控制量轉換成模擬電壓值。

圖4 溫度控制電路

　　6 結束語

FPGA 接口設計需要綜合考慮硬件連接，工作流程，接口協(xié)議和邏輯模塊等多方面因素，是一項系統(tǒng)工程。本文分別從以上幾方面介紹了基于FPGA 的光纖陀螺慣導系統(tǒng)溫控電路接口設計，該設計目前已應用于實際系統(tǒng)中。經過驗證，接口滿足系統(tǒng)要求，工作狀態(tài)良好。本文所述的FPGA 接口設計方案是可靠，穩(wěn)定和高效的。可為其他相關應用提供有益的借鑒。