[發明專利]一種FPGA與微控制器間實時可靠的波形數據傳輸電路

有效

• 申請號: 202011475493.6
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112596438B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 孔祥偉;李文華;吳浩偉;鄧磊;蔡凱;李銳;姜波;李小謙;李可維;李鵬;汪文濤;蔡久青;金翔;歐陽暉;吳鈁;張煒龍;廖于翔;張正卿;張鵬程;帥驍睿;金惠峰;周樑;邢賀鵬
• 申請（專利權）人: 武漢第二船舶設計研究所（中國船舶重工集團公司第七一九研究所）
• 主分類號: G06F13/14
• 分類號: G06F13/14
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理有限公司 11457
• 代理人: 黃云鐸

本發明公開了一種FPGA與微控制器間實時可靠的波形數據傳輸電路。該電路包括沖突檢測模塊，波形數據候選存儲模塊，數據跨時鐘域模塊，微控制器接口模塊，波形數據采集模塊。該電路在微控制器發出讀取波形數據請求后，能夠把FPGA內實時刷新的最新波形數據點準確可靠的傳送到微控制器。一方面保證了傳輸的波形數據是FPGA當前時刻最新采集的數據，另一方面實現了數據傳輸的強實時性和高可靠性，具備很強的工程應用價值。

技術領域

本發明涉及數據采集和通信技術領域，更具體地說是一種FPGA與微控制器間數據傳輸領域。

背景技術

控制領域的主控板卡往往采用FPGA+微控制器的架構，FPGA通常實現波形采集與引腳擴展等一系列功能，微控制器器根據當前模數轉換器的實時采集數據實現控制算法并發出相應的控制指令。這需要FPGA中的數據能夠準確無誤并且快速的傳輸到微控制器中。

微控制器與FPGA往往工作在異步的兩個時鐘下(不同頻率或者同頻不同相位)，FPGA負責不斷接收模數轉換器實時刷新的波形采集數據，微控制器讀取數據的時刻與FPGA采集數據的過程是兩個異步的過程。電力系統控制領域被測信號往往為50Hz及其整數倍,模數轉換器一般工作在幾十到幾百kSPS，模數轉換器的采集延遲典型值在1us～10us數量級。

為了實現波形數據傳輸，傳統上有兩種解決方案。一種是微控制器發出讀數據請求后，FPGA才發送開始采集信號到模數轉換器，要等待模數轉換器將數據采集好后才能將數據傳遞到微控制器。雖然微控制器得到的是最新采集到的數據，但是由于微控制器要“等待”數據采集的過程，實時性在1us～10us量級，并且容易出現數據跨時鐘域的讀取錯誤。

另一種方案是在FPGA中先將數據緩存起來，緩存數量從2個到幾千個不等，微控制器發出讀取請求后，FPGA將事先采集并緩存好的數據傳到微控制器。雖然可以將波形數據點在較快的時間內傳遞到微控制器，但是傳輸的數據并不是最新的數據，而是微控制器請求數據時刻點以前一段內采集好的數據。例如采樣率如果是200kSPS,數據至少是5us以前的數據。這影響了控制的準確度。

發明內容

本發明的目的是，提供一種FPGA與微控制器間實時可靠的波形數據傳輸電路，一方面可以解決數據傳輸的實時性(實時性為0.13us)，另一方面可以有效避免數據跨時鐘域出現錯誤的情況，實現高可靠數據傳輸。

具體而言，本發明提供了一種FPGA與微控制器間實時可靠的波形數據傳輸電路，其特征在于，包括：沖突檢測模塊，波形數據候選存儲模塊，數據跨時鐘域模塊，波形數據采集模塊以及微控制器接口模塊：

所述波形數據采集模塊用于向其前端的模數轉換模塊發出開始轉換信號，以使得所述模數轉換模塊基于所述開始轉換信號對目標信號進行模數轉換，并且波形數據采集模塊基于所述開始轉換信號進行數據接收并基于數據刷新時刻生成數據有效信號，并且根據所述數據有效信號生成數據展寬信號，所述數據展寬信號的寬度大于所述數據有效信號，并且所述數據展寬信號的中心與所述數據有效信號的邊沿對齊；

數據跨時鐘域模塊基于所述數據有效信號對所采集的波形數據進行存儲；

所述沖突檢測模塊接收所述波形數據采集模塊的所述數據展寬信號和所述微控制器接口模塊發出的讀取波形數據信號，并基于所述讀取波形數據信號向所述數據跨時鐘域模塊發出兩次讀取請求信號，第一次讀取請求信號與所述讀取波形數據信號同步，第二次讀取請求信號與第一次讀取請求信號之間間隔時間大于所述數據展寬信號有效長度；

所述數據跨時鐘域模塊分別基于兩次讀取請求信號進行數據讀取并將所讀取數據送往波形數據候選存儲模塊并采用不同的寄存器存儲；