一种基于FPGA的多功能输入输出模块及输入输出方法

摘要

本发明涉及一种基于FPGA的多功能输入输出模块及输入输出方法，模拟信号经过模拟信号输入调理采集单元、模拟信号输出单元、数字信号输出/输入单元、模拟信号输入比较单元，以及人机交互模块和FPGA模块，实现多功能输入输出模。本发明数字信号输入输出接口配置灵活并且通过总线控制具有高速、高可靠性等优良特征。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的多功能输入输出模块（Input/Output Module，简称IOM），可灵活配置，用于高速列车系统中的模块输入输出连接。 

背景技术

高速列车中央控制单元CCU（Central Control Unit）由供电模块、中央处理单元CPU、TCN网关、IO模块、总线管理模块、背板等部分组成，主要作用是完成列车系统逻辑控制以及对各部件监控和保护。 

多功能输入输出模块(IOM)属于CCU单元中的IO模块的一部分，通过16位数据总线和16位地址总线连接至中央处理单元CPU模块。此模块不仅支持23路模拟信号输入采集、64路控制数字信号输入、46路控制数字信号输出、而且支持频率和脉冲持续时间采集等功能，是CPU模块与外界个模块通讯的重要桥梁。目前国内高速列车系统研发刚刚起步，尚无稳定可靠的多功能输入输出模块。 

发明内容

本发明为高速列车CCU系统中中央处理模块与其他模块通讯的重要接口，提供一种基于FPGA的高可靠性模拟信号输入输出、数字信号输入输出模块。该模块由7部分组成：模拟信号输入调理采集单元、模拟信号输出单元、模拟信号输入比较单元、数字信号输入单元、数字信号输出单元、FPGA模块、人机交互模块。此模块通过16位地址总线与16位数据总线与中央处理单元CPU模块通信。机械尺寸采用标准6U板卡。 

一种基于FPGA的多功能输入输出模块，在高速列车中央控制单元的IO模块中，在高速列车中央控制单元中由中央处理器CPU、总线管理模块以及背板组成，基于FPGA的多功能输入输出模块通过16位地址总线和16位数据总线与中央处理单元CPU模块通信， 

包括模拟信号输入调理采集单元、模拟信号输出单元、数字信号输出/输入单元、模拟信号输入比较单元，以及人机交互系统和FPGA系统， 

所述模拟信号输入调理采集单元，收集经由多通道模拟多路器切换后的模拟信号输入，经过模数转换芯片采集后通过SPI接口传入FPGA模块经过FPGA模块读取后通过数据总线与CPU模块进行通讯； 

或者模拟控制信号由SPI接口传入模拟信号输出单元； 

所述模拟信号输出单元，接收经过SPI接口传送的模拟控制信号经过数模转换芯片电平变化电路传送到输出接口； 

所述模拟信号输入比较单元，提供模拟信号电平变换及调理，经过二极管反向保护后在比较器上输出，信号输出供FPGA模块进行数字检测,从而判断端口状态； 

所述数字信号输出/输入单元，通过调节双向缓冲器(即双向缓冲芯片,分为AB两端,可通过控制引脚设置电流导通方向是A至B,或者B至A)方向，可配置为输入模式和输出模式； 

人机交互模块，提供控制面板供输入及显示数据，得到的输入信号进入FPGA模块。 

进一步的，IOM多功能输入输出模块作为CPU模块和其他个模块输入/输出之间的接口，它经过数据总线和地址总线连接至CPU模块。 

进一步的，多功能输入输出模块可以将模拟电压转换为数字值。允许23个外部模拟信号进行12位采样，量程为±10V。其中10个信号从模拟输入传递至极限值监控器(即模拟比较器后进入FPGA进行逻辑判断)。 

进一步的，多功能输入输出模块支持4路模拟信号输出，同样为12位精度，±10V范围。 

进一步的，多功能输入输出模块支持64路HCMOS数字信号输入，46路HCMOS数字信号输出。 

进一步的，多功能输入输出模块拥有9个（数量可配置，通用于数字输入接口）可以用于脉冲宽度/频率输入信号和脉冲宽度/频率输出信号的可编程的计数器模块（16位）。 

进一步的，多功能输入输出模块拥有10个安装在前面板内的LED。其中8个LED可经数据总线（软件）寻址；其他两个LED指出“复位”和“总禁止”状态。 

可选的，本发明提出的多功能输入输出模块上也带有一个温度传感器、两个BCD开关和7段显示器，亦可通过数据总线（软件）进行存取。模块待用一EEPROM存储器，容量为512kx8。 

可选的，在本发明基于FPGA的多功能输入输出模块中，数字信号输入输出模块， 

当配置为输入模式时，即缓冲器方向配置为由外部至内部，HCMOS数字信号输入经过双向缓冲器缓冲及电平转换，转化为3.3V LVCMOS电平，供FPGA采集。此信号输入亦可配置为脉冲宽度/频率模式。 

当配置为输出模式时，即缓冲器方向配置为由内部至外部，FPGA输出的3.3V LVCMOS电平经过双向缓冲器电平转换，转化为HCMOS电平输出。此信号输出亦可配置为脉冲宽度/频率模式。 

基于FPGA的输入输出方法，其步骤包括： 

1）在输入端通过人机交互模块进行数模信号输入； 

模拟信号输入调理采集单元收集经由多通道模拟多路器切换后的模拟信号输入，经过模数转换芯片采集后通过SPI接口传入FPGA模块经过FPGA模块读取后通过数据总线与CPU模块进行通讯；或者模拟控制信号由SPI接口传入模拟信号输出单元(数模转换芯片)； 

通过调节缓冲器方向配置数字信号输入单元的输入模式，电路缓冲及调理，输入到FPGA模块进行检测，检测结构通过数据总线与CPU模块进行通讯。 

2）模拟信号输出单元接收经过SPI接口传送的模拟控制信号经过电平变化电路传送到输出接口； 

3）当模拟信号经过输出单元，进入模拟信号输入比较单元，经过二极管反向保护后在比较器上输出，信号输出供FPGA模块进行检测； 

4）总线下发数字信号输出指令经过FPGA模块处理,在输出接口输出； 

5）在人机交互模块中反馈输出信号信息。待显示的控制信号直接控制人机接口的10个共阴LED指示灯以及8段共阳数码管。两个BCD码开关作为输入接口供用户操作。 

发明有益效果 

本发明架构清晰、模块化好。采用高性能FPGA完成如：23路模数采集、4路数模输出、64路数字输入、46路数字输出、人机接口、数据通讯等任务，具有高速、高可靠性等优良特征。其中，数字信号输入输出接口配置灵活，通过双向缓冲器可自由配置为输入或输出模式，同时，通过总线控制，数字接口可配置为脉冲宽度/频率模式，可供输入检测或可控输出。是CCU中不可缺少的重要部分。 

附图说明

图1是本发明的系统原理框图，其中，模拟信号输入调理采集单元—1、模拟信号输出单元—2、模拟信号输入比较单元—3、数字信号输入单元—4、数字信号输出单元—5、FPGA系统—6、人机交互系统—7。 

图1a-1b是本发明实施例中基于FPGA的多功能输入输出模块电路原理图； 

图2a-2b是本发明的实施例中模拟信号输入调理采集电路原理图； 

图3a-3b是本发明实施例中模拟信号输出电路原理图； 

图4a-4b是本发明实施例中模拟信号输入比较电路原理图； 

图5a-5b是本发明实施例中数字信号输入输出电路原理图； 

图6a-6b是本发明实施例中数字信号输出电路原理图； 

图7a-7b是本发明实施例中人机交互系统电路原理图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

图1是本发明具体实施例的系统框图；如图1所示，输入端23路模拟信号输入经过3个八通道模拟多路器切换，进入到12位模拟信号输入调理采集单元进行采集，FPGA模块读取 采集结果通过数据总线与CPU模块进行通讯；23路模拟信号中的10路信号经模拟比较器比较直接输入至FPGA模块,可作为临界值报警；输入端64路数字输入信号经过电路缓冲及调理，输入到FPGA模块进行检测，检测结构通过数据总线与CPU模块进行通讯。同时，总线下发的数字信号输出指令经FPGA处理，在输出接口输出。在此板卡上，通过总线挂载12位DA及EEPROM，可直接供CPU模块寻址控制。板卡前面板装有人机输入输出界面，即LED、数码管及触发按键，通过FPGA控制交互。 

如图2a-2b所示是本发明模拟信号输入调理采集电路原理图；多路模拟信号输入经过多路器切换，输入给运放及电阻电容组成的模拟信号条例电路，后信号输入12位ADC芯片进行采集，采集后的结果通过SPI接口传送至FPGA。 

如图3a-3b所示是本发明模拟信号输出电路原理图；控制信号通过SPI接口输送至12位DAC芯片，模拟信号输出后经过运放及电阻电容组成的电平变换电路调理，传送至输出接口。 

如图4a-4b所示是本发明模拟信号输入比较电路原理图；模拟信号输入经过运放及电阻电容组成的电平变换及调理电路调理，经过二级管做反向保护，比较器输出控制场效应管（MOS）从而驱动光耦，信号输入出供FPGA检测。 

如图5a-5b所示是本发明数字信号输入输出电路原理图；当配置为输入模式时，即缓冲器方向配置为由外部至内部，HCMOS数字信号输入经过双向缓冲器缓冲及电平转换，转化为3.3V LVCMOS电平，供FPGA采集。此信号输入亦可配置为脉冲宽度/频率模式。当配置为输出模式时，即缓冲器方向配置为由内部至外部，FPGA输出的3.3V LVCMOS电平经过双向缓冲器电平转换，转化为HCMOS电平输出。此信号输出亦可配置为脉冲宽度/频率模式。 

如图6a-6b所示是本发明数字信号输出电路原理图；此部分固定为输出模式。FPGA输出的3.3V LVCMOS电平经过双向缓冲器电平转换，转化为HCMOS电平输出。此信号输出亦可配置为脉冲宽度/频率模式。 

如图7a-7b所示是本发明人机交互系统电路原理图；面板操作两个BCD码输入开关，信号输入至FPGA。需要显示的数据经过驱动，控制面板数码管及LED显示。待显示的控制信号直接控制人机接口的10个共阴LED指示灯以及8段共阳数码管。两个BCD码开关作为输入接口供用户操作，根据调解输入数字的不同，选择通道，并显示状态。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。