（原文來源：微計算機信息? 李森；張春熹；李保國；林恒 在此特別鳴謝！）

? ? ? ? ?1 引言

采用光纖陀螺的捷聯慣性導航系統是一種極具發展潛力的導航系統，對于其核心部件的光纖陀螺，尤其是中高精度光纖陀螺，環境溫度帶來的漂移是不容忽視的，因此對系統進行溫度控制很有必要。溫度控制電路是整個溫控系統的硬件基礎，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。

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。 其中，溫度傳感器采用 DALLAS公司的 DS18B20，它采用 1-wire總線協議，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。 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送

給 FPGA。FPGA將DSP發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送給 232接口芯片，然后通過 232串口發送給上位機。上位機可通過監視軟件實時觀測溫度值和控制量的變化情況，方便系統調試與評估；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控制。

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，因此優化程序設計，減少冗余，節省資源顯得尤為重要【2】。

（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兩條數據線實現的。本方案中，只存在溫控系統到上位機的單向數據傳輸，故僅需一條發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。 5FPGA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，運行穩定，結果明確和節省資源的。它能夠保證整個系統的可靠，穩定和高效。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。

（1）RESET模塊 該模塊生成全局復位信號。是所有模塊中優先級最高的。系統上電后，該模塊將復位信號拉低并持續 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，包括一個由主機發出的復位脈沖和其后由從機發出的存在脈沖。探測到存在脈沖之后，代表初始化完成，模塊將發送 ROM操作命令。本方案中，執行 SKIP ROM跳過 ROM匹配。之后將發送存儲器操作命令。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可以方便地實現對七路溫度的實時監控。 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，將其中的控制量發送給 DAC控制模塊；與串口發送模塊通信，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 串口通信協議要求數據收發雙方有相同的波特率。該模塊用于設定串口通信波特率。 二、串口發送模塊

雙口 RAM模塊將數據存儲完畢后，將給串口發送模塊一個標志信號。串口發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。

結束語

FPGA接口設計需要綜合考慮硬件連接，工作流程，接口協議和邏輯模塊等多方面因素，是一項系統工程。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溫控電路接口設計，該設計目前已應用于實際系統中。經過驗證，接口滿足系統要求，工作狀態良好。本文所述的 FPGA接口設計方案是可靠，穩定和高效的。可為其他相關應用提供有益的借鑒。本文作者創新點：七路并行溫度采集結構；多功能溫控電路接口結構；溫度值和控制量打包解包數據傳輸協議；高效穩定的多接口 FPGA邏輯設計；

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