基于FPGA的采集控制系统设计与实现

李舟舟，王和明，王孔华

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

基于FPGA的采集控制系统设计与实现

李舟舟，王和明，王孔华

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

采控系统是现代武器装备半实物仿真系统的核心和关键部分，其主要功能是在主控系统的控制下，实时采集机柜面板可操作部件的动作，并进行人机界面信息的显示。需要采集显示的信息类型多、数量大，属于“海量”采集控制系统。对采控对象进行了分类，在分析比较现有采集控制系统的基础上，采用模块化设计思想，以FPGA为核心设计制作了一种功能全、体积小，且具有可靠性高、易于扩展等优点的采控系统。经过功能仿真、综合和测试，各项指标均符合设计要求。

采控系统，FPGA，单片机

0 引言

在仿真装备中，需要实时采集装备机柜面板可操作部件的动作，发送给主控计算机进行解析，并进行人机界面信息的显示［1］。装备人机界面需采集显示的信息类型多、数量大，采集控制系统属于“海量”采集控制系统。研究如何以低成本和高可靠性设计实现采集控制系统具有重要意义。

1 方案设计

1.1 需求分析

常见仿真装备采控系统的采控对象可分为以下几种类型：各类按钮开关输入，手轮模球双向计数脉冲输入，电位器位置A/D转换输入；各种指示灯开关量输出；LED或LCD指示输出；模拟表头D/A转换输出。实际系统中，这些采控对象的数量十分庞大，所以设计的采控系统应该满足海量采控的需求。

1.2 方案论证与比较

采控系统的设计方法常采用以下几种:一是采用集中控制方式；第2种才用集散控制方式；三是以大规模可编程逻辑器件为核心配以外围电路，外加单片机控制可编程逻辑电路工作，进行数据处理，并完成与上位机的通信。

第3种方案将由单板实现的采集控制功能全部集成在一块FPGA芯片中，将FPGA中不易实现的控制、通信功能交由微控制器实现［2］。该方案一方面简化了电路的设计复杂度；另一方面提高了采集系统的可靠性。此外，采用此种设计方案带来的成本下降也是显而易见的。因此，本系统设计中，采用了第3种方案。

2 硬件设计

采控单元采用组合化、模块化设计和统一的结构。微控制器采用AT89C52，与FPGA通信，同时控制信号的采集［3］，选择RS-485接口作为微控制器与主控计算机的通信接口［4］；FPGA内部划分为开关量采集、ADC接口、脉冲计数、指示灯控制、DAC接口、LED/LCD数码管显示控制模块，并配以相应的外围电路，完成操作面板上开关量、模拟量、脉冲计数信号的采集，以及指示灯、七段LED数码管、表头指示的控制，其结构如图1所示。其中，FPGA内部各模块设计是关键部分。

图1 基于FPGA的采控单元结构

2.1 开关采集模块设计

在FPGA中采用独立开关采集方式。开关采集模块可以实现开关、按键、拨码开关等状态量的采集。每一个采集模块的采集容量是48个独立开关状态。该模块包含48个独立的开关状态采集逻辑，其中一位开关量采集逻辑的结构如图2所示。

图2 开关量采集模块逻辑结构

2.2 脉冲计数模块设计

摸球、滚轮等定位设备产生的是两串脉冲，脉冲的频率由转动速度确定，其中一串为正转脉冲，一串为反转脉冲，两串脉冲计数差值包含了摸球转动方向和转动速率的信息。这类输入设备的录取就是用计数器分别对两串脉冲进行计数，然后计算计数差值，从而获得摸球的运动轨迹。

脉冲计数模块采用十六位计数器对八路脉冲（分为四组正负脉冲）进行独立计数，然后分别计算每组脉冲的计数差值。计数差值输出为有符号数原码，数据正负分别代表正转和反转。该模块有四组脉冲计数单元，其中一组的结构如图3所示。

图3 脉冲计数模块逻辑结构

2.3 A/D转换控制模块设计

系统设计的ADC控制部分是一个控制模数转换芯片ADC0809自动完成转换，实现模拟量采集的模块。采用ADC0809的主要原因是该芯片可满足一般电位器位置采集精度需要，且一片可完成8路采集。

2.4 指示控制模块设计

仿真装备操作面板上有各种指示灯，包括发光二极管、灯泡等，它们的指示状态有亮、灭、闪烁，其中闪烁有快闪和慢闪之分。指示控制模块就是用于指示灯控制的IP核。每个IP核最多可以独立控制32个指示灯，产生亮、灭、快闪、慢闪4种指示效果。一路的指示控制逻辑结构如图4所示。IP核的内部寄存器列于下页表1。

图4 指示控制模块逻辑结构

表1 指示控制模块寄存器列表

2.5 LED和LCD显示控制模块设计

LED数码管和LCD显示屏是仿真装备上主要的数字字符的显示器件，具有直观、醒目和简单易用的特点。系统设计的LED显示控制IP核是一个LED数码管扫描显示控制模块。这个IP核可以同时控制8位LED数码管并列显示。该IP核的结构如图5所示。

图5 LED和LCD显示控制模块逻辑结构

2.6 D/A转换控制模块设计

系统设计的DAC控制模块是一个控制数模转换芯片AD7228进行数模转换，实现模拟量输出的模块。它可以控制一块AD7228，实现八路数据的锁存和数模转换电压输出。

3 软件设计

3.1 通信部分设计

采控单元与上位机的通信协议定义为：采用异步串行通信标准，波特率为9 600 b/s，无校验位，1位停止位。数据封包发送，采用定长方式，每个数据包由 6字节（B5~B0）组成，每字节 8位（b7~b0），高字节在前，各字节作用分别定义。上位机与采控单元的通信由上位机发起，建立通信后，进入正常工作状态，采控单元接收上位机命令，完成相应控制任务，同时向上位机发送采集数据。

3.2 控制部分设计

软件主要包括采控主程序和串口中断服务程序两个模块，串口中断服务程序用于将处理串行通信，完成数据包的发送和接收。主程序完成采控系统主要的工作流程，包括系统加电初始化，监视面板动作，向上位机发送采集数据，根据上位机命令控制面板显示状态等。

4 测试结果

本系统采用单片机+FPGA作为采集控制系统的架构，使用C语言、VHDL语言作为编程语言，完成了全部要求并对系统作了测试。

①电路板级测试：在完成硬件电路设计后，对电路板的各部分电路进行了静态测试，排除了连接和焊接故障；

②测试台测试：为了测试采控板在整个仿真系统中的工作性能，专门设计了CK-I采集控制板老化测试平台。在测试平台上模拟仿真装备中的各种输入输出信号，经测试，设备能够按照预定的要求进行工作；

③测试及试用：测试台测试之后，进行了采集控制系统与仿真装备的联调联试。经过测试和试用，设计的采集控制系统能够有效采集仿真装备中的各种开关输入、A/D输入、工作模式选择、旋钮指示，且LED指示输出、LCD输出、表头输出工作正常。

5 结论

该采集控制系统，从方案设计、电路设计、板级测试、测试台测试以及最后的与实际仿真装备联调联试，及时发现设计中的软硬件不足，进行相应的改进，最终实现能够完全模拟了仿真装备的各项性能，并且实现了降低成本、提高可靠性的目标。

［1］田涛.组件技术在基于仿真的装备管理中的应用［J］.计算机工程与应用，2002，38（18）：226-228.

［2］林刚，林晓焕，许家栋.一个实用的单片机数据采集控制系统［J］.微电子学，2002，31（1）：69-73.

［3］孙媛，郭奕崇.基于AT89C52脉冲信号数据采集器的设计与实现［J］.微计算机信息，2010，26（6）：100-102.

［4］陈夏清，吴燮华.应用于数据采集系统中的485总线与CAN总线比较［J］.工业控制计算机，2004，17（5）：56-57.

Design and Im plementation of Acquisition-controlling System Based on FPGA

LIZhou-zhou，WANGHe-ming，WANGKong-hua
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University,Xi’an 710051，China）

Acquisition-controlling system is the key of half-material-object simulation system for modern weapons and equipments，and itsmain function is to acquire the operation on the faceplate of equipment cabinet in real time and show the information of human-computer interface.There are kinds and numbers of information that needs to be acquired，therefore,acquisition-controlling system is massive.This paper classifies the objects that needs to be acquired and controlled.On the base of analysis and comparison among modern acquisition-controlling systems，the paper uses the theory of module，designs and make an acquisition-controlling system that is with great function and high reliability,in small size and easy to be expended.FPGA is the key of this system.After functional simulation，synthesis and test，we find that all of its indexesmeet the need of our design.

acquisition-controlling system，FPGA，single-chip

TN709

A

1002-0640（2015）11-0139-03

2014-09-05

2014-11-07

李舟舟（1991- ），男，湖南常德人，硕士研究生。研究方向：微电子技术应用。