[發明專利]一種基于FPGA的多功能輸入輸出模塊及輸入輸出方法

有效

• 申請號: 201310076587.X
• 申請日: 2013-03-11
• 公開（公告）號: CN104049554B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 于佳晨;趙琛;武斌;黃東;郭亮;楊洪陶
• 申請（專利權）人: 中國科學院軟件研究所
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙)11200
• 代理人: 余長江

1.一種基于FPGA的多功能輸入輸出模塊，在高速列車中央控制單元的IO模塊中，高速列車中央控制單元中由中央處理器CPU模塊、總線管理模塊以及背板組成，其特征在于，

包括模擬信號輸入調理采集單元、模擬信號輸出單元、數字信號輸出/輸入單元、模擬信號輸入比較單元，以及人機交互模塊和FPGA模塊，

所述模擬信號輸入調理采集單元，收集經由多通道模擬多路器切換后的模擬信號輸入，經過模數轉換芯片采集后通過SPI接口傳入FPGA模塊經過FPGA模塊讀取后通過數據總線與CPU模塊進行通訊；

或者模擬控制信號由SPI接口傳入模擬信號輸出單元；

所述模擬信號輸出單元，接收經過SPI接口傳送的模擬控制信號經過數模轉換芯片電平變化電路傳送到輸出接口；

所述模擬信號輸入比較單元，提供模擬信號電平變換及調理，經過二極管反向保護后在比較器上輸出，信號輸出供FPGA模塊進行數字檢測,判斷端口狀態；

所述數字信號輸出/輸入單元，通過調節雙向緩沖器方向，可配置為輸入模式和輸出模式；當配置為輸入模式時，雙向緩沖器方向配置為由外部至內部，HCMOS數字信號輸入經過雙向緩沖器緩沖及電平轉換，轉化為3.3V LVCMOS電平，供FPGA采集；當配置為輸出模式時，雙向緩沖器方向配置為由內部至外部，FPGA輸出的3.3V LVCMOS電平經過雙向緩沖器緩沖及電平轉換，轉化為HCMOS電平輸出；

人機交互模塊，提供控制面板供輸入及顯示數據，得到的輸入信號進入FPGA模塊。

2.如權利要求1所述的基于FPGA的多功能輸入輸出模塊，其特征在于，所述輸入輸出模塊通過多個數據總線和多個地址總線連接至CPU模塊。

3.如權利要求1所述的基于FPGA的多功能輸入輸出模塊，其特征在于，所述輸入輸出模塊的數字信號輸出/輸入單元將模擬電壓轉換為數字值，其中23個外部模擬信號進行12位采樣，量程為±10V，10個信號從模擬輸入傳遞至極限值監控器。

4.如權利要求1所述的基于FPGA的多功能輸入輸出模塊，其特征在于，所述輸入輸出模塊模擬信號輸出單元為4路模擬信號輸出，量程為±10V。

5.如權利要求1所述的基于FPGA的多功能輸入輸出模塊，其特征在于，所述輸入輸出模塊數字信號輸入單元為64路HCMOS數字信號輸入，數字信號輸出單元為46路HCMOS數字信號輸出。

6.如權利要求1所述的基于FPGA的多功能輸入輸出模塊，其特征在于，所述輸入輸出模塊多功能輸入輸出模塊設置0～23個可以用于脈沖寬度/頻率輸入信號和脈沖寬度/頻率輸出信號的可編程的16位計數器模塊。

7.如權利要求1所述的基于FPGA的多功能輸入輸出模塊，其特征在于，所述輸入輸出模塊設有10個安裝在前面板內的LED發光二極管；其中8個LED發光二極管經數據總線尋址；其他兩個LED指出“復位”和“總禁止”狀態。

8.如權利要求1所述的基于FPGA的多功能輸入輸出模塊，其特征在于，所述人機交互模塊中設有一溫度傳感器、兩個BCD開關和7段顯示器，一待用EEPROM存儲器。

9.一種基于FPGA的輸入輸出方法，其步驟包括：

1)在輸入端通過人機交互模塊進行數模信號輸入；

1-1)模擬信號輸入調理采集單元收集經由多通道模擬多路器切換后的模擬通訊信號，模擬通訊信號通過SPI接口傳入FPGA模塊經過FPGA模塊讀取后通過數據總線與CPU模塊進行通訊；或者模擬控制信號由SPI接口傳入模擬信號輸出單元；

1-2)通過調節緩沖器方向配置數字信號輸入單元為輸入模式，經過電路緩沖及調理后，輸入到FPGA模塊進行檢測，檢測結果通過數據總線與CPU模塊進行通訊；

2)模擬信號輸出單元接收經過SPI接口傳送的模擬控制信號經過電平變化電路傳送到輸出接口；

3)當模擬信號經過模擬信號輸出單元，進入模擬信號輸入比較單元，經過二極管反向保護后在比較器上輸出，模擬信號輸出供FPGA模塊進行邏輯檢測；

4)配置數字信號輸入單元為輸出模式，總線下發數字信號輸出指令經過FPGA模塊處理,在輸出接口輸出；

5)在人機交互模塊中反饋輸出信號信息。