摘 要： 為實(shí)現(xiàn)智能儀器的遠(yuǎn)程控制， 提高控制系統(tǒng)的速度， 采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（ FPGA） 芯片、USB 芯片等實(shí)現(xiàn)了智能儀器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹RS 232 與USB 的接口轉(zhuǎn)換原理及FPGA 程序設(shè)計(jì)和仿真。系統(tǒng)采用先入先出存儲(chǔ)器和有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了RS 232 與USB 的接口轉(zhuǎn)換， 并實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制、數(shù)據(jù)處理等功能。系統(tǒng)可大大減少上位機(jī)的工作量， 不僅可以用于實(shí)驗(yàn)室也可應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。

　　目前智能儀器已廣泛應(yīng)用于科研和工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)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(hù)， 并且實(shí)時(shí)跟蹤性能差， 人為誤差大， 數(shù)據(jù)無(wú)法保存， 另外大量高檔儀表價(jià)格相當(dāng)昂貴。為解決上述難題， 在計(jì)算機(jī)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(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。由于智能儀器是RS 232 接口， 上位機(jī)用的是USB 接口， 所以還需由FPGA 實(shí)現(xiàn)RS232 與USB 之間的接口轉(zhuǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 可以減少上位機(jī)的工作量， 減少數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，還可以縮短設(shè)計(jì)周期， 減小板卡體積， 以便于集成到其他板卡上。

　　1  控制系統(tǒng)及接口簡(jiǎn)介

　　1. 1  系統(tǒng)功能

　　在整個(gè)系統(tǒng)中， 上位機(jī)可以實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并下發(fā)相應(yīng)的命令。智能儀器傳出的數(shù)據(jù)通過(guò)RS 232接口傳送到FPGA, FPGA 根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的命令對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行判決、處理， 然后經(jīng)過(guò)USB 接口上傳給上位機(jī)， 再由上位機(jī)對(duì)FPGA 處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等操作。

　　1. 2  U SB 接口芯片簡(jiǎn)介

　　本設(shè)計(jì)采用的是CYPRESS 半導(dǎo)體公司的EZUSBFX2 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(shè)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(duì)普通FIFO 一樣對(duì)FX2中端點(diǎn)為2, 4, 6, 8 的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀/ 寫。FX2 內(nèi)嵌的8051 固件的功能只是配置Slave FIFO 相關(guān)的寄存器，以及控制FX2 何時(shí)工作在Slave FIFO 模式下。一旦8051 固件將相關(guān)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(shí)序， 高速地與主機(jī)進(jìn)行通信， 而在通信過(guò)程中不需要8051 固件的參與。

　　1. 3  RS 232 接口簡(jiǎn)介

　　RS232C 標(biāo)準(zhǔn)（ 協(xié)議） 的全稱是EIARS232C 標(biāo)準(zhǔn)。EIARS232C 是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)的，與T TL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠與計(jì)算機(jī)接口或終端的T T L 器件連接， 必須使EIARS232C 與T TL 電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件， 也可用集成電路芯片。該設(shè)計(jì)用的是MAX3232 芯片。

　　RS 232 的數(shù)據(jù)傳輸格式如圖1 所示。

圖1  RS 232 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸格式

　　RS 232 傳輸格式包含起始位（ 1 b） 、有效數(shù)據(jù)位（ 8 b） 、奇偶校驗(yàn)位（ 0~ 2 b） 、停止位（ 1 b） 。傳輸線在空閑時(shí)為高電平， 因此起始位為低電平， 停止位為高電平。

　　奇偶校驗(yàn)位可設(shè)置為奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或不校驗(yàn)， 有效數(shù)據(jù)位是從低位開(kāi)始傳送。

　　2  FPGA 設(shè)計(jì)

　　2. 1  USB 接口時(shí)序

　　在Slav e FIFO 方式下， 外部邏輯與FX2 的連接信號(hào)如圖2 所示。

圖2  FX2 Slave 模式下接口管腳連接圖

　　在Slav e FIFO 模式下， CY7C68013 芯片為端口2,4, 6, 8 提供滿空標(biāo)志位FLAGA, FLAGB, FLAGC,FLAGD。IFCLK 為FX2 輸出的時(shí)鐘， 可作通信的同步時(shí)鐘； SLCS 為FIFO 的片選信號(hào)； SLOE 為FIFO 輸出使能； SLRD 為FIFO 讀信號(hào)； SLWR 為FIFO 寫信號(hào)。對(duì)FPGA 來(lái)說(shuō)， 4 個(gè)端口分別為4 個(gè)FIFO。

　　FPGA檢測(cè)4 個(gè)滿空標(biāo)志位來(lái)分別對(duì)相應(yīng)的FIFO 進(jìn)行讀/ 寫。FPGA 可以選擇同步或異步讀/ 寫， 在該設(shè)計(jì)中采用異步讀/ 寫。在異步Slave FIFO 寫時(shí)， 時(shí)鐘由FPGA 提供。數(shù)據(jù)在SLWR 的每個(gè)有效-無(wú)效的跳變沿時(shí)被寫入， FIFO 寫指針遞增。異步Slave FIFO 讀時(shí)，F(xiàn)IFO 讀指針在SLRD 的每個(gè)有效-無(wú)效的跳變沿時(shí)遞增以改變數(shù)據(jù)。

　　2. 2  FPGA 程序設(shè)計(jì)

　　FPGA 設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分， 由VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。FPGA 實(shí)現(xiàn)了USB 與RS 232 接口的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理、命令的傳輸?shù)裙δ?。有了上面的接口時(shí)序，便可以進(jìn)行FPGA 設(shè)計(jì)。FPGA 部分的總體設(shè)計(jì)如圖3所示。模塊介紹：

　　USB 與FPGA 接口模塊： U SB 與FPGA 之間的接口轉(zhuǎn)換模塊， 主要功能為將USB 接口傳過(guò)來(lái)的信息緩存到FPGA 內(nèi)部FIFO, 并將由數(shù)據(jù)處理模塊處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳給U SB 芯片。即產(chǎn)生控制信號(hào)讀/ 寫U SB 芯片內(nèi)部FIFO?？梢杂勺x/ 寫FIFO 兩個(gè)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

　　以讀取CY7C68013 芯片內(nèi)數(shù)據(jù)為例， 根據(jù)異步讀U SB內(nèi)的FIFO 時(shí)序圖可分為4 個(gè)狀態(tài)： 空閑態(tài)、選擇地址態(tài)、準(zhǔn)備讀數(shù)據(jù)態(tài)、讀數(shù)據(jù)態(tài)、讀取后狀態(tài)[ 6] 。在空閑態(tài)， 當(dāng)讀事件發(fā)生時(shí)進(jìn)入選擇地址態(tài)； 在選擇地址態(tài)， 使FIFOADR[ 1: 0] 指向OUT FIFO, 進(jìn)入準(zhǔn)備讀數(shù)據(jù)態(tài)；在準(zhǔn)備讀數(shù)據(jù)態(tài)， 如FIFO 空， 在本狀態(tài)等待， 否則進(jìn)入讀數(shù)據(jù)態(tài)； 在讀數(shù)據(jù)態(tài)， 使SLOE, SLRD 有效， 從數(shù)據(jù)線上讀數(shù)， 再使SLRD 無(wú)效， 以遞增FIFO 讀指針， 再使SLOE 無(wú)效， 進(jìn)入讀取后狀態(tài)； 在讀取后狀態(tài)， 如需傳輸更多的數(shù)， 進(jìn)入準(zhǔn)備讀數(shù)據(jù)態(tài)， 否則進(jìn)入空閑態(tài)。

圖3 FPGA 總體設(shè)計(jì)框圖

　　USB 數(shù)據(jù)緩存模塊： 用來(lái)緩存計(jì)算機(jī)發(fā)給智能儀器的指令等信息。是由FPGA 芯片的IP 核生成的先入先出存儲(chǔ)器FIFO。容量為8 b * 512 depth。占用1 個(gè)塊RAM 資源。

　　RS 232 數(shù)據(jù)緩存模塊： 用來(lái)緩存由智能儀器發(fā)出的數(shù)據(jù)。是由FPGA IP 核生成的先入先出存儲(chǔ)器FIFO。容量為8 b*512 depth, 占用1 個(gè)塊RAM資源。

　　RS 232 與FPGA 接口模塊： RS 232 與FPGA 之間的接口轉(zhuǎn)換模塊。主要功能為進(jìn)行串/ 并和并/ 串轉(zhuǎn)換。

　　將USB 數(shù)據(jù)緩存模塊中緩存的內(nèi)容以合適的速率通過(guò)串口發(fā)給智能儀器， 并將智能儀器發(fā)出的數(shù)據(jù)緩存到RS 232 數(shù)據(jù)緩存模塊中。此模塊也是由兩個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。串口通信必須要設(shè)定波特率， 這里采用的波特率為9 600 Kb/ s, 采用的時(shí)鐘為50 MHz, 相當(dāng)于傳送1 位數(shù)據(jù)需要約5 028 個(gè)時(shí)鐘周期， 這里采用減法計(jì)數(shù)器來(lái)控制， 即計(jì)數(shù)器計(jì)到5 028 個(gè)時(shí)鐘周期后， 就開(kāi)始傳輸下一位數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)處理模塊： 主要功能為根據(jù)上位機(jī)的指令對(duì)RS 232 數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理。處理后再向上位機(jī)傳。主要的處理方式有定時(shí)取數(shù)、平滑處理等。實(shí)現(xiàn)方式由狀態(tài)機(jī)等實(shí)現(xiàn)。FPGA 頂層模塊： 主要負(fù)責(zé)各模塊間數(shù)據(jù)流的流向。以及與外部芯片相連的輸入輸出信號(hào)的定義。

　　系統(tǒng)在工作時(shí)， 在采集數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)時(shí)， 數(shù)據(jù)通道為： 智能儀器發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)RS 232接口模塊存在RS232 數(shù)據(jù)緩存模塊中緩存。當(dāng)緩存到一定的數(shù)據(jù)量后，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊連續(xù)的讀取FIFO 中的數(shù)據(jù)并根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的命令進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理， 然后將處理的數(shù)據(jù)通過(guò)USB 與FPGA 接口模塊傳給USB 接口。在上位機(jī)下發(fā)控制命令時(shí)， 數(shù)據(jù)通道為： 上位機(jī)發(fā)送的命令通過(guò)USB 口傳給FPGA 的RS 232 與FPGA 接口模塊， 此模塊判斷是數(shù)據(jù)處理指令還是控制儀器指令。如果是數(shù)據(jù)處理指令， 則傳向數(shù)據(jù)處理模塊讓其按要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果是控制儀器指令， 則將其存入U(xiǎn)SB 數(shù)據(jù)緩存模塊中， 再由RS 232 與FPGA 接口模塊讀取， 轉(zhuǎn)成RS2322 格式后傳出。由于RS 232 接口速度比USB 接口慢， 用FPGA 內(nèi)部的異步時(shí)鐘FIFO 解決速率匹配問(wèn)題。

　　將通過(guò)RS 232傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)緩存在FIFO 中， 然后存到一定數(shù)據(jù)量后再全部連續(xù)的取出， 如此往復(fù)， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集及上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示。將通過(guò)USB 傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)放在另一個(gè)FIFO 中緩存 , 讓FPGA 按照RS232 的速率進(jìn)行讀取。這樣可以防止RS 232 的速度跟不上USB 的速度而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失。

　　3  仿真結(jié)果

　　FPGA 采用的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為50 MHz, 仿真工具為Mo delsim SE 6. 5a, 仿真用數(shù)據(jù)為連續(xù)的8 b 數(shù)據(jù)。

　　仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 FPGA 讀USB 內(nèi)部FIFO 仿真圖

　　圖4 為FPGA 讀USB 內(nèi)部FIFO 的仿真結(jié)果，DATA 為模擬從USB 口接到的數(shù)據(jù)， 該數(shù)據(jù)已存在于USB 芯片的FIFO 中。FIFODAT A 為FPGA 接到的數(shù)據(jù)， 由上可以看出， FPGA 可以將U SB 接受到的數(shù)據(jù)解析出來(lái)。

　　圖5 為RS 232 與FPGA 接口部分仿真結(jié)果?？梢钥闯?， 由RS 232 接收串行數(shù)據(jù)RXD 已經(jīng)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)din。程序中是在一個(gè)有效字節(jié)結(jié)束后將其存入FIFO 中， 由圖可以驗(yàn)證。圖6 頂層模塊仿真圖， 為了驗(yàn)證由FPGA 發(fā)出的數(shù)據(jù)能正確的接受到， 先由FPGA 內(nèi)部發(fā)數(shù)據(jù)， 然后通過(guò)RS 232 的T XD 端口發(fā)出，讓RXD 與TXD 相連再接收， 可以看出發(fā)出的數(shù)據(jù)可以被正確的接收回來(lái)并傳向U SB 接口， 說(shuō)明時(shí)序正確。

　　同理可以驗(yàn)證U SB 端的收發(fā)時(shí)序。

圖5 RS 232 接收端仿真圖

圖6  頂層模塊仿真圖

　　4  結(jié) 語(yǔ)

　　本文采用FPGA 實(shí)現(xiàn)了USB 與RS 232 間的接口轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理的功能。設(shè)計(jì)中先入先出存儲(chǔ)器的運(yùn)用解決了數(shù)據(jù)的緩存的和速率匹配問(wèn)題， 有限狀態(tài)機(jī)的運(yùn)用使得程序設(shè)計(jì)更加清晰可靠。該設(shè)計(jì)將復(fù)雜的信號(hào)運(yùn)算集中在FPGA 中完成， 利用FPGA 獨(dú)特的并行處理能力，減小上位機(jī)工作量的同時(shí)， 提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。