目前智能儀器已廣泛應用于科研和工業生產當中，但是許多儀器分散在不同的地理位置上，不易操作和維護，并且實時跟蹤性能差，人為誤差大，數據無法保存，另外大量高檔儀表價格相當昂貴。為解決上述難題，在計算機的提示下完成操作，可以減少人為因素造成的損壞，并提高測試數據的準確度。由于智能儀器是RS 232接口，上位機用的是USB接口，所以還需由FPGA實現RS232與USB之間的接口轉換。由于FPGA可以并行處理，集成度高，可用資源豐富，所以利用FPGA進行數據處理，可以減少上位機的工作量，減少數據處理的時間，還可以縮短設計周期，減小板卡體積，以便于集成到其他板卡上。
1 控制系統及接口簡介
1．1 系統功能
在整個系統中，上位機可以實時對系統進行監控，并下發相應的命令。智能儀器傳出的數據通過RS 232接口傳送到FPGA，FPGA根據上位機下發的命令對這些數據進行判決、處理，然后經過USB接口上傳給上位機，再由上位機對FPGA處理過的數據進行顯示、存儲等操作。
1．2 USB接口芯片簡介
本設計采用的是CYPRESS半導體公司的EZ-USBFX2系列芯片CY7C68013。CY7C68013是一款高性能USB 2．0微控制器，它提供了全面的USB 2．0外圍設備解決方案。工作模式有Port，Slave FIFO和GPIFMaster三種，本方案采用Slave FIFO模式。在該模式下，外部控制器(如FPGA)可像對普通FIFO一樣對FX2中端點為2，4，6，8的數據緩沖區進行讀／寫。FX2內嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相關的寄存器，以及控制FX2何時工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件將相關的寄存器配置完畢，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部邏輯(如FPGA)即可按照Slave FIFO的傳輸時序，高速地與主機進行通信，而在通信過程中不需要8051固件的參與。
1．3 RS 232接口簡介
RS-232C標準(協議)的全稱是EIA-RS-232C標準。EIA-RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態的，與TTL以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。因此，為了能夠與計算機接口或終端的TTL器件連接，必須使EIA-RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。該設計用的是MAX3232芯片。
RS 232的數據傳輸格式如圖1所示。
RS 232傳輸格式包含起始位(1 b)、有效數據位(8 b)、奇偶校驗位(0～2 b)、停止位(1 b)。傳輸線在空閑時為高電平，因此起始位為低電平，停止位為高電平。奇偶校驗位可設置為奇校驗、偶校驗或不校驗，有效數據位是從低位開始傳送。
2 FPGA設計
2．1USB接口時序
在Slave FIFO方式下，外部邏輯與FX2的連接信號如圖2所示。
在Slave FIFO模式下，CY7C68013芯片為端口2，4，6，8提供滿空標志位FLAGA，FLAGB，FLAGC，FLAGD。IFCLK為FX2輸出的時鐘，可作通信的同步時鐘；SLCS為FIFO的片選信號；SLOE為FIFO輸出使能；SLRD為FIFO讀信號；SLWR為FIFO寫信號。對FPGA來說，4個端口分別為4個FI-FO。FPGA檢測4個滿空標志位來分別對相應的FIFO進行讀／寫。FPGA可以選擇同步或異步讀／寫，在該設計中采用異步讀／寫。在異步Slave FIFO寫時，時鐘由FPGA提供。數據在SLWR的每個有效一無效的跳變沿時被寫入，FIFO寫指針遞增。異步Slave FIFO讀時，FIFO讀指針在SLRD的每個有效一無效的跳變沿時遞增以改變數據。
2．2 FPGA程序設計
FPGA設計是整個系統的核心部分，由VHDL語言實現。FPGA實現了USB與RS 232接口的轉換、數據的處理、命令的傳輸等功能。有了上面的接口時序，便可以進行FPGA設計。FPGA部分的總體設計如圖3所示。
模塊介紹：
USB與FPGA接口模塊：USB與FPGA之間的接口轉換模塊，主要功能為將USB接口傳過來的信息緩存到FPGA內部FIFO，并將由數據處理模塊處理過的數據傳給USB芯片。即產生控制信號讀／寫USB芯片內部FIFO。可以由讀／寫FIFO兩個有限狀態機實現。以讀取CY7C68013芯片內數據為例，根據異步讀USB內的FIFO時序圖可分為4個狀態：空閑態、選擇地址態、準備讀數據態、讀數據態、讀取后狀態。在空閑態，當讀事件發生時進入選擇地址態；在選擇地址態，使FIFOADR[1：O]指向OUT FIFO，進入準備讀數據態；在準備讀數據態，如FIFO空，在本狀態等待，否則進入讀數據態；在讀數據態，使SLOE，SLRD有效，從數據線上讀數，再使SLRD無效，以遞增FIFO讀指針，再使SLOE無效，進入讀取后狀態；在讀取后狀態，如需傳輸更多的數，進入準備讀數據態，否則進入空閑態。
USB數據緩存模塊：用來緩存計算機發給智能儀器的指令等信息。是由FPGA芯片的IP核生成的先入先出存儲器FIFO。容量為8b×512dept-h。占用1個塊RAM資源。
RS 232數據緩存模塊：用來緩存由智能儀器發出的數據。是由FPGA IP核生成的先入先出存儲器FIFO。容量為8 b×512 depth，占用1個塊RAM資源。
RS 232與FPGA接口模塊：RS 232與FPGA之間的接口轉換模塊。主要功能為進行串／并和并／串轉換。將USB數據緩存模塊中緩存的內容以合適的速率通過串口發給智能儀器，并將智能儀器發出的數據緩存到RS 232數據緩存模塊中。此模塊也是由兩個狀態機實現。串口通信必須要設定波特率，這里采用的波特率為9 600 Kb／s，采用的時鐘為50 MHz，相當于傳送1位數據需要約5 028個時鐘周期，這里采用減法計數器來控制，即計數器計到5 028個時鐘周期后，就開始傳輸下一位數據。
數據處理模塊：主要功能為根據上位機的指令對RS 232數據緩存中的數據做出相應的處理。處理后再向上位機傳。主要的處理方式有定時取數、平滑處理等。實現方式由狀態機等實現。FPGA頂層模塊：主要負責各模塊間數據流的流向。以及與外部芯片相連的輸入輸出信號的定義。
系統在工作時，在采集數據上傳上位機時，數據通道為：智能儀器發送的數據通過RS 232接口模塊存在RS232數據緩存模塊中緩存。當緩存到一定的數據量后，再通過數據處理模塊連續的讀取FIFO中的數據并根據上位機發送的命令進行相應的數據處理，然后將處理的數據通過USB與FPGA接口模塊傳給USB接口。在上位機下發控制命令時，數據通道為：上位機發送的命令通過USB口傳給FPGA的RS 232與FPGA接口模塊，此模塊判斷是數據處理指令還是控制儀器指令。如果是數據處理指令，則傳向數據處理模塊讓其按要求進行數據處理。如果是控制儀器指令，則將其存入USB數據緩存模塊中，再由RS 232與FPGA接口模塊讀取，轉成RS2322格式后傳出。由于RS 232接口速度比USB接口慢，用FPGA內部的異步時鐘FIFO解決速率匹配問題。將通過RS 232傳過來的數據緩存在FIFO中，然后存到一定數據量后再全部連續的取出，如此往復，從而實現數據的連續采集及上位機的實時顯示。將通過USB傳過來的數據放在另一個FIFO中緩存，讓FPGA按照RS232的速率進行讀取。這樣可以防止RS 232的速度跟不上USB的速度而產生的數據丟失。
3 仿真結果
FPGA采用的系統時鐘頻率為50 MHz，仿真工具為Modelsim SE 6．5a，仿真用數據為連續的8 b數據。仿真結果如圖4所示。
圖4為FPGA讀USB內部FIFO的仿真結果，DATA為模擬從USB口接到的數據，該數據已存在于USB芯片的FIFO中。FIFODATA為FPGA接到的數據，由上可以看出，FPGA可以將USB接受到的數據解析出來。
圖5為RS 232與FPGA接口部分仿真結果。可以看出，由RS 232接收串行數據RXD已經轉換為并行數據din。程序中是在一個有效字節結束后將其存入FIFO中，由圖可以驗證。圖6頂層模塊仿真圖，為了驗證由FPGA發出的數據能正確的接受到，先由FPGA內部發數據，然后通過RS 232的TXD端口發出，讓RXD與TXD相連再接收，可以看出發出的數據可以被正確的接收回來并傳向USB接口，說明時序正確。同理可以驗證USB端的收發時序。
4 結語
本文采用FPGA實現了USB與RS 232間的接口轉換及數據處理的功能。設計中先入先出存儲器的運用解決了數據的緩存的和速率匹配問題，有限狀態機的運用使得程序設計更加清晰可靠。該設計將復雜的信號運算集中在FPGA中完成，利用FPGA獨特的并行處理能力，減小上位機工作量的同時，提高了系統運行速度。