基于FPGA的惯导系统温控电路接口设计

4FPGA与外围电路之间的通信接口

FPGA与外围电路之间的通信接口主要包括与温度传感器，DSP，232 接口芯片和DAC的通信接口四个部分。

(1) 与温度传感器的通信接口

本方案的温度传感器采用DS18B20，它通过硬件非常简单的1-wire 总线通信，由于硬件简单所以通信协议比较复杂。要实现与它的通信接口将占用大量FPGA片内资源，而且本方案要进行七路温度采集，因此优化程序设计，减少冗余，节省资源显得尤为重要。

(2) 与DSP 的通信接口

DSP 与FPGA 的组合已经成为当今数字电路中非常流行的模式。FPGA 非常适合与DSP配合。本方案中，DSP 与FPGA 的通信接口主要由数据总线，地址总线和一些控制信号组成。FPGA 和DSP 之间由8 位数据总线连接，数据以字节形式并行传输。DSP 通过地址总线对FPGA的片内资源寻址。控制信号主要包括复位信号，中断信号和读写信号。

(3) 与232 接口芯片的通信接口

FPGA 与232 接口芯片的通信是通过收发两条数据线实现的。本方案中，只存在温控系统到上位机的单向数据传输，故仅需一条发送数据线就可以完成与232 接口芯片的通信。

(4) 与DAC 的通信接口

本方案选用TI 公司的TLV5620I 芯片作为DAC。它是8 位4 路电压数模转换器。对于它的数字控制基于由4 条信号线组成的串行总线。包括CLK，DATA，LOAD 和LDAC 四种信号。

5 FPGA 的逻辑设计

在温控电路的总体方案，硬件结构，工作流程和接口协议都确定后，就可以进行FPGA的逻辑设计了。FPGA 的逻辑设计是整个温控电路接口设计的重中之重。它基于verilog 硬件描述语言。良好的FPGA 逻辑设计应该是时序清晰，运行稳定，结果明确和节省资源的。它能够保证整个系统的可靠，稳定和高效。FPGA 的逻辑模块图如图3 所示。FPGA 内部逻辑大致分为RESET 模块，DS18B20 接口模块，总线控制模块，DSP 接口模块，双口RAM 模块，232 接口模块和DAC 接口模块等几部分。

图3 FPGA 的逻辑模块图

(1)RESET 模块

该模块生成全局复位信号。是所有模块中优先级最高的。系统上电后，该模块将复位信号拉低并持续1 秒而后拉高，对DSP 和FPGA 内部其他模块进行复位。

(2)DS18B20 接口模块

该模块用于实现与DS18B20 通信，读取并存储温度值。它包含2 个子模块。

一、温度采集模块

该模块实现与DS18B20 的通信协议。首先通过一个初始化序列对DS18B20 进行初始化，包括一个由主机发出的复位脉冲和其后由从机发出的存在脉冲。探测到存在脉冲之后，代表初始化完成，模块将发送ROM 操作命令。本方案中，执行SKIP ROM 跳过ROM 匹配。之后将发送存储器操作命令。温度转化和读取温度就在这部分完成。其中每一次读写操作都需要严格按照DS18B20 的读写时隙进行。该模块复杂程度高和占用资源多，是整个FPGA 中的重要模块。本方案一共有七路温度采集模块，它们的并行结构使得系统可以方便地实现对七路温度的实时监控。

二、温度存储模块

该模块的主要构成部分是一个14*8 位存储器，用于存储七路温度数值，每一路数值需要2 个8 位寄存器存放。存储完毕后，等待DSP 读取。

(3)DSP 接口模块

该模块主要用于与DSP 进行通信。它包含3 个子模块。