[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

技術領域

本發明涉及一種基于FPGA的多功能輸入輸出模塊（Input/Output Module，簡稱IOM），可靈活配置，用于高速列車系統中的模塊輸入輸出連接。

背景技術

高速列車中央控制單元CCU（Central Control Unit）由供電模塊、中央處理單元CPU、TCN網關、IO模塊、總線管理模塊、背板等部分組成，主要作用是完成列車系統邏輯控制以及對各部件監控和保護。

多功能輸入輸出模塊(IOM)屬于CCU單元中的IO模塊的一部分，通過16位數據總線和16位地址總線連接至中央處理單元CPU模塊。此模塊不僅支持23路模擬信號輸入采集、64路控制數字信號輸入、46路控制數字信號輸出、而且支持頻率和脈沖持續時間采集等功能，是CPU模塊與外界個模塊通訊的重要橋梁。目前國內高速列車系統研發剛剛起步，尚無穩定可靠的多功能輸入輸出模塊。

發明內容

本發明為高速列車CCU系統中中央處理模塊與其他模塊通訊的重要接口，提供一種基于FPGA的高可靠性模擬信號輸入輸出、數字信號輸入輸出模塊。該模塊由7部分組成：模擬信號輸入調理采集單元、模擬信號輸出單元、模擬信號輸入比較單元、數字信號輸入單元、數字信號輸出單元、FPGA模塊、人機交互模塊。此模塊通過16位地址總線與16位數據總線與中央處理單元CPU模塊通信。機械尺寸采用標準6U板卡。

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，在高速列車中央控制單元中由中央處理器CPU、總線管理模塊以及背板組成，基于FPGA的多功能輸入輸出模塊通過16位地址總線和16位數據總線與中央處理單元CPU模塊通信，

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，以及人機交互系統和FPGA系統，

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,從而判斷端口狀態；

所述數字信號輸出/輸入單元，通過調節雙向緩沖器(即雙向緩沖芯片,分為A/B兩端,可通過控制引腳設置電流導通方向是A至B,或者B至A)方向，可配置為輸入模式和輸出模式；

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。

進一步的，IOM多功能輸入輸出模塊作為CPU模塊和其他個模塊輸入/輸出之間的接口，它經過數據總線和地址總線連接至CPU模塊。

進一步的，多功能輸入輸出模塊可以將模擬電壓轉換為數字值。允許23個外部模擬信號進行12位采樣，量程為±10V。其中10個信號從模擬輸入傳遞至極限值監控器(即模擬比較器后進入FPGA進行邏輯判斷)。

進一步的，多功能輸入輸出模塊支持4路模擬信號輸出，同樣為12位精度，±10V范圍。

進一步的，多功能輸入輸出模塊支持64路HCMOS數字信號輸入，46路HCMOS數字信號輸出。

進一步的，多功能輸入輸出模塊擁有9個（數量可配置，通用于數字輸入接口）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計數器模塊（16位）。

進一步的，多功能輸入輸出模塊擁有10個安裝在前面板內的LED。其中8個LED可經數據總線（軟件）尋址；其他兩個LED指出“復位”和“總禁止”狀態。

可選的，本發明提出的多功能輸入輸出模塊上也帶有一個溫度傳感器、兩個BCD開關和7段顯示器，亦可通過數據總線（軟件）進行存取。模塊待用一EEPROM存儲器，容量為512kx8。

可選的，在本發明基于FPGA的多功能輸入輸出模塊中，數字信號輸入輸出模塊，

當配置為輸入模式時，即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。此信號輸入亦可配置為脈沖寬度/頻率模式。