采用可编程逻辑器件实现温控电路接口及其与DSP通信接口的设计

※用可编程逻辑器件实现温控电路接口及其与DSP通信接口的设计

（原文来源：微计算机信息李森；张春熹；李保国；林恒在此特别鸣

谢！）

1引言

采用光纤陀螺的捷联惯性导航系统是一种极具发展潜力的导航系统，对于

其核心部件的光纤陀螺，尤其是中高精度光纤陀螺,环境温度带来的漂移是不

容忽视的，因此对系统进行温度控制很有必要。温度控制电路是整个温控系统

的硬件基础,其中涉及到温度采集，与微处理器通信,串口输出，控制数模转

换芯片等多个组成部分。本文提出一种高效实用的FPGA接口设计,它能够完成

协调各个组成部分有序工作，准确、快速实现数据传输，严格控制信号时序等

工作。

温控电路整体结构

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fflI温控电路的整体结构框图

温控电路的整体结构框图如图1所示。其中包括七路温度传感器,DSP,

232接口芯片，DAC,后端控制电路，上位机和FPGA等多个组成部分。FPGA接

口是整个电路的核心。其中，温度传感器采用DALLAS公司的DS18B20,它采

用l-wire总线协议，仅需1根数据线进行通信。DSP采用红公司的

TMSVC33,它可以实现高速浮点运算。232接口芯片采用MAXIM公司的

MAX3232,支持高达120kbps的传输速率。D追采用TI公司的TLV5620I,它是

通过4条串行信号控制的8位4路数模转换芯片。FPGA选用ALTERA公司的

ACEX系列的EP1K100,它时钟频率高,具有丰富内部资源，提供大量可编程10

管脚，配置十分方便。基于FPGA的温控电路接口在整个电路中具有非常重要

的作用。FPGA本身的高速并行结构为整个电路的性能提供了可靠保证。温控

电路工作流程温控电路的工作流程如图2所示。FPGA与七路温度传感器通

信，读取温度值，并存储于内部存储器中，每秒更新一次。FPGA发送中断信号

通知DSP读取FPGA中存储的温度值，DSP根据当前温度值和控制算法计算出

控制量。而后将温度值和控制量打包成•帧数据发送

给FPGAoFPGA将DSP发送来的数据存储在内部存储器后，对数据进行操

作，生成输出信号。FPGA一方面将数据串行发送给232接口芯片，然后通过

232串口发送给上位机。上位机可通过监视软件实时观测温度值和控制量的变

化情况，方便系统调试与评估；另一方面从数据中提取出控制量，将其串行输

出到DAC,数字控制信号经过DA转换后输出模拟控制电压到后端控制电路，实

现对七路温度的闭环控制。

图2温控电路的r作流程

4.FPGA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

包括与温度传感潜，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l-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，而且不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】。

(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路电压数摸黄

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,1戏迫_和LDAC四种信号。5FPGA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，双口幽模块，232接口模

块和DAC接口模块等几部分。

（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c

（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SKIPROM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，它们的并行结陶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位重在盎存放。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。

一、DSP写信号同步模块DSP的数据写入在写信号控制下完成。由于DSP和

FPGA采用不同的时钟源，所以DSP产生的写信号无法和FPGA的主时钟同步。

这样就会导致写数据错误。该模块用于将DSP写信号与FPGA的主时钟同步。

二、中断生成模块由于本方案中，温度值每秒更新一次。在温度值更新后，通

过中断信号通知DSP读取温度值。该模块用于生成周期为1秒的中断脉冲。

三、寻址模块该模块对FPGA片内资源进行编址，由DSP的地址总线控制

寻力匕准确读写所需的数据.

（4）总线控制模块DSP和FPGA之间的数据总线是双向总线，总线控制模

块用于控制总线的数据流向。当DSP从FPGA中读取温度值时，总线控制模块

将温度存储模块和数据总线相连，输出数据。当DSP向FPGA中写数据时，总

线控制模块将数据总线和双口RAM模块相连，输入数据。

（5）双口RAM模块该模块主要实现以下三个功能：当DSP写数据时，将

数据存储于内部存储器中；当数据存储完毕后，将其中的控制量发送给DAC控

制模块；与串口发送模块通信，将所有数据依次串行输出。

（6）232接口模块该模块用于实现串口数据输出，它包含2个子模块：

一、串口波特率模块串口通信协议要求数据收发双方有相同的波特率。该模块

用于设定串口通信波特率。二、串口发送模块

双口RAM模块将数据存储完毕后，将给串口发送模块一个标志信号。串口

发送模块接到此信号后，依次将双口RAM模块中存储的数据串行输出。

（7）DAC接口模块该模块包含2个子模块：一、DAC时钟模块DAC需要

特定频率范围的时钟来驱动。该模块用于生成驱动DAC的时钟信号。二、DAC

控制模块

该模块用于生成DAC控制信号。它的基本原理是将双口RAM模块输出的7

路控制量存储在内部存储器，然后根据DAC的接口协议生成CLK,DATA,LOAD

和LDAC等控制信号，这些信号将驱动DAC的工作，将数字控制量转换成模拟

电压值。

结束语

FPGA接口设计需要综合考虑硬件连接，工