基于CompactPCI总线隔离数字I/O的设计

摘要

为了满足计算机自动测量领域、航空航天测控及工业自动控制领域对开关量信号处理的需求，本课题研制了一种基于CompactPCI总线隔离数字I/O的测量和控制模块；该模块能够实现对32路输入开关量状态的采集，以及32路开关量输出驱动外部开关式执行机构，同时还能够实现定时和计数的功能。
　　本课题采用的设计方案是：CompactPCI专用接口芯片+FPGA+数字隔离器件。CompactPCI专用接口芯片是采用PLX公司的PCI9030，它负责模块与上层软件的数据通信；利用现场可编程逻辑器件 FPGA来完成对输入开关量信号的计数任务以及输出不同占空比的脉冲系列；数字隔离器件实现了64路输入输出信号之间的隔离，同时通道的数量和方向是可以根据用户的需求来进行扩展和配置的，因此模块具有很强的通用性和扩展性。利用数字隔离器件可以实现在测量和控制时模块与输入输出信号的电气隔离，这样就可以有效地减少模块在测试过程中受到的影响。
　　设计中FPGA是整个隔离I/O模块逻辑处理的核心器件，它主要负责整个模块的逻辑处理工作，例如开关量的状态采集、缓冲事件计数；以及输出开关量信号、占空比可调的脉冲系列。FPGA内部逻辑设计采用Verilog硬件描述语言来实现，完成模块中各个功能的逻辑代码编写，并在集成开发环境QuartusⅡ8.1平台上完成了对各功能模块的逻辑设计、综合、仿真。
　　最后将设计完成的隔离数字I/O模块与驱动程序进行联调，调试结果表明隔离数字I/O模块能够正常的工作，实现了课题中的各项功能；由于课题中采用通用化、模块化、标准化和小型化的设计思想，因此具有比较强的移植性，对其它类似的测试和控制模块的开发具有参考和推广价值。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的现状及意义

1.2 课题的任务

1.3 论文的结构安排

第二章 总体方案的设计

2.1 设计任务和指标

2.2 设计任务的分析

2.3 设计方法的选择

2.4 硬件设计的总体框架

第三章 隔离数字I/O硬件电路设计

3.1 CompactPCI总线接口特点

3.2 CompactPCI接口电路设计

3.3 FPGA硬件电路设计

3.4 数字隔离电路的设计

3.5 通道配置电路设计

3.6 电源电路的设计

第四章 隔离数字I/O的逻辑设计

4.1 FPGA内部逻辑总体设计

4.2 数字去抖的实现

4.3 开关状态量的采集

4.4 开关状态量的输出

4.5 缓冲事件计数的实现

4.6 脉冲系列的产生

第五章 硬件电路调试及功能验证

5.1 模块的硬件调试

5.2 CompactPCI接口调试

5.3 逻辑功能调试与验证

5.4 调试中出现的问题及解决方法

第六章 总 结

致谢

参考文献

附录

攻硕期间取得的研究成果