[發(fā)明專利]基于FPGA的串口矩陣切換器

在審

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• 申請日: 2014-11-21
• 公開（公告）號: CN104320594A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 連明昌
• 申請（專利權(quán)）人: 連明昌
• 主分類號: H04N5/268
• 分類號: H04N5/268
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種矩陣切換器，具體的說涉及一種基于FPGA的串口矩陣切換器。

背景技術(shù)

串口RS-232通信廣泛應(yīng)用于設(shè)備控制和低速通信。應(yīng)用于設(shè)備控制時(shí)，上位機(jī)通過串口向設(shè)備發(fā)送控制指令，設(shè)備解碼指令完成相應(yīng)操作，在上位機(jī)和設(shè)備數(shù)量眾多時(shí)，上位機(jī)連接的控制設(shè)備經(jīng)常要發(fā)生變化，設(shè)備也經(jīng)常需要不同的上位機(jī)控制，上位機(jī)需要頻繁插拔串口線以滿足設(shè)備不同的控制需求。應(yīng)用于低速通信時(shí)，在線路連接關(guān)系改變或線纜損壞時(shí)，需要重新布串口線或更換串口線纜。因此，需要一種多路串口通信矩陣切換輸出設(shè)備，以靈活方便的實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備矩陣控制和分配串口通信線路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是要解決上述問題，提供一種基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的串口矩陣切換器?。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種基于FPGA的串口矩陣切換器包括多個(gè)串口輸入通道、多個(gè)串口輸出通道、切換分配串口輸入信號到串口輸出通道的FPGA矩陣切換模塊、控制矩陣切換操作的單片機(jī)控制模塊和提供系統(tǒng)電源的電源模塊。

所述的串口輸入和輸出通道包括MAX3232串口轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路、DB9串口公頭和母頭、通信指示燈，串口公頭和母頭并行連接以匹配不同設(shè)備的輸入輸出接口。

所述的FPGA矩陣切換模塊包括輸入串口通信模塊、選通切換模塊、譯碼模塊、命令解碼模塊、SPI總線通信模塊和輸出串口通信模塊。

所述的單片機(jī)控制模塊與FPGA矩陣切換模塊通過SPI總線通信，包括輸入按鍵、輸出按鍵、控制按鍵、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊和與上位機(jī)通信的控制串口模塊。FPGA矩陣切換器通過按鍵和控制串口兩種方式實(shí)現(xiàn)矩陣切換和設(shè)置操作。

所述的單片機(jī)控制模塊的輸入按鍵和輸出按鍵選擇對應(yīng)的輸入和輸出通道號，控制按鍵切換選擇的輸入通道到輸出通道，控制按鍵也用于設(shè)置矩陣工作狀態(tài)。

所述的上位機(jī)通過控制串口模塊向單片機(jī)發(fā)送控制指令，單片機(jī)根據(jù)指令完成矩陣切換和設(shè)置操作。

本發(fā)明的有益效果：通過FPGA的可編程邏輯特性實(shí)現(xiàn)串口通信的矩陣切換，在按鍵和上位機(jī)兩種方式的控制下，設(shè)置串口輸入和輸出通道的連接關(guān)系和通信參數(shù)，完成矩陣切換，靈活方便地實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備矩陣控制和分配串口通信線路的功能，可方便地在顯示屏和上位機(jī)軟件上查詢和顯示連接關(guān)系。

附圖說明

附圖1是串口輸入輸出通道結(jié)構(gòu)圖。

附圖2是MAX3232外圍電路圖。

附圖3是FPGA控制器功能模塊。

附圖4是單片機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)圖?。?

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

一種基于FPGA的串口矩陣切換器包括多個(gè)串口輸入通道、多個(gè)串口輸出通道、切換分配串口輸入信號到串口輸出通道的FPGA矩陣切換模塊、控制矩陣切換操作的單片機(jī)控制模塊和提供系統(tǒng)電源的電源模塊。

串口輸入和輸出通道結(jié)構(gòu)，如附圖1所示，包括MAX3232串口轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路、DB9串口公頭和母頭、通信指示燈。MAX3232芯片利用雙電荷泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)RS-232信號電平與FPGA電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)RS-232標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)傳輸，如附圖2所示，芯片外圍電路僅需四個(gè)0.1uF的電荷泵電容。串口公頭和母頭并行連接以匹配不同設(shè)備的輸入輸出接口。由FPGA控制器發(fā)出PWM信號控制通信指示燈閃爍指示該通道通信狀態(tài)。

FPGA矩陣切換模塊，如附圖3所示，包括輸入串口通信模塊、選通切換模塊、譯碼模塊、命令解碼模塊、SPI總線通信模塊和輸出串口通信模塊。串口通信模塊實(shí)現(xiàn)RS-232串口通信協(xié)議，通過命令解碼模塊設(shè)置波特率等通信參數(shù)，在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，給指示燈發(fā)送脈寬調(diào)制(PWM)信號，由波特率大小決定脈寬，通過指示燈閃爍快慢指示通信狀態(tài)和速率。選通切換模塊根據(jù)譯碼模塊的結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的輸入通道和輸出通道的連接關(guān)系。譯碼模塊根據(jù)輸入通道號和輸出通道號譯碼選擇對應(yīng)的輸入通道和輸出通道。命令解碼模塊解碼來自單片機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù)命令進(jìn)行對應(yīng)的操作，如通道參數(shù)設(shè)置和通道切換等。SPI通信模塊實(shí)現(xiàn)SPI總線通信協(xié)議，接收來自單片機(jī)控制模塊的命令和數(shù)據(jù)。

單片機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)，如附圖4所示，包括輸入按鍵、輸出按鍵、控制按鍵、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊和與上位機(jī)通信的控制串口模塊。單片機(jī)控制模塊與FPGA矩陣切換模塊通過SPI總線通信，來自按鍵和上位機(jī)的命令通過SPI發(fā)送給FPGA控制器。顯示模塊可顯示矩陣切換器狀態(tài)參數(shù)和操作菜單，存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)程序和參數(shù)數(shù)據(jù)。

FPGA矩陣切換器通過按鍵和控制串口兩種方式實(shí)現(xiàn)矩陣切換和設(shè)置操作。輸入按鍵和輸出按鍵選擇對應(yīng)的輸入和輸出通道號，控制按鍵切換選擇的輸入通道到輸出通道，控制按鍵也用于設(shè)置矩陣工作狀態(tài)。上位機(jī)軟件通過控制串口模塊向單片機(jī)發(fā)送控制指令，單片機(jī)根據(jù)指令完成矩陣切換和設(shè)置操作。