趙宏鈞，陸健，張樂年

(1.河南中煙工業(yè)有限責任公司許昌卷煙廠，河南 許昌461000;2.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016)

0 引言

努力自主創(chuàng)新、實現(xiàn)重點跨越成為引領未來科學技術發(fā)展的方向，煙草產(chǎn)業(yè)同樣需要技術創(chuàng)新。在自動化程度越來越高的市場環(huán)境下，煙草設備自動化程度的提高也迫在眉睫?；贔PGA的串行總線系統(tǒng)是煙草設備自動化控制的核心系統(tǒng)，其硬件部分主要包括信號發(fā)送卡和信號接收卡，本文主要討論信號發(fā)送卡的設計。信號發(fā)送卡通過PCI接口，插入工控機的PCI插槽中，實現(xiàn)將圖像處理結果的并行信號轉為串行信號發(fā)出;遠程的信號接收卡通過帶有連接器的雙絞線和發(fā)送卡相連，將串行信號再轉成并行信號經(jīng)過驅動后通過扁平電纜和剔除閥相連接，實現(xiàn)將信號發(fā)送卡傳來的串行信號還原為并行信號，并發(fā)送給剔除閥，同時驅動閥工作。這樣，工控機通過基于FPGA的串行總線控制遠程剔除閥工作。

基于FPGA設計的串行總線的信號發(fā)送卡能實現(xiàn)實時高速通信，簡化設備，有效降低設備的誤剔率，提高生產(chǎn)效率。本文將介紹信號發(fā)送卡的原理設計。

1 信號發(fā)送卡原理設計

信號發(fā)送卡的硬件設計采用FPGA為主要核心部件。信號發(fā)送卡的電路設計要求主要有三點：1)成為PCI總線的從設備，接收工控機發(fā)出的并行異物剔除信號;2)將接收的并行信號轉為串行信號發(fā)出;3)保證發(fā)出的串行信號的實時性與完整性。根據(jù)以上的功能需求設計的信號發(fā)送卡原理圖主要由電平轉換電路，端口地址設定與串行速率調節(jié)電路以及數(shù)據(jù)串行輸出電路組成。

2 電平轉換電路設計

本課題為信號發(fā)送卡選用的是Lattice公司生產(chǎn)的LFXP－6型FPGA芯片，該芯片支持3.3 V的電平，而PCI接口芯片CH365支持的是5 V的電平，為了使PCI接口電路能與FPGA芯片成功對接，需在CH365芯片和FPGA芯片之間添加一個電平轉換芯片，這種根據(jù)芯片各自的電氣特性設計的電路，能使FPGA順利的讀取PCI總線上的數(shù)據(jù)，進行下一步操作。該電平轉換芯片選用的是SN74CB3T16210型號的芯片，該芯片的一些特點已有介紹。電平轉換電路的原理圖如圖1所示。

在圖1中，電平轉換芯片SN74CB3T16210的數(shù)據(jù)輸出引腳1B1－1B7與FPGA的I/O引腳I/O40－I/O47相連，編號為32的GND端口和FPGA的編號為79的GND端口相連;芯片的地址輸出引腳1B9、1B10、2B1－2B7和2B9與FPGA的I/O引腳I/O48－I/O53、I/O55－57和I/O60相連。這一連接成功的實現(xiàn)了電平轉換，當工控機有圖像數(shù)據(jù)處理結果信號輸出時，F(xiàn)PGA能通過CH365成為PCI總線的從設備，從總線接收數(shù)據(jù)處理結果信號。

3 端口地址設定與串行速率調節(jié)電路設計

本課題選用了DS－8和DS－4型的兩個撥碼開關，其中DS－8撥碼開關用于設定端口地址，DS－4用于微調信號串行傳輸速率。端口地址設定與串行速率調節(jié)電路的原理圖如圖2所示，兩個撥碼開關的一端接電源，另外一端接有阻值為10 K的下拉電阻。撥碼開關接有下拉電阻的一端和FPGA的I/O引腳相連，其中DS－8撥碼開關與FPGA的引腳I/O136－I/O142和GND相連，DS－4撥碼開關與FPGA的引腳I/O132－I/O134和GND相連。

當PCI局部總線向信號發(fā)送卡發(fā)送數(shù)據(jù)時先向FPGA發(fā)送觸發(fā)脈沖，通知FPGA準備接收數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)前，F(xiàn)PGA首先需要對PCI局部總線發(fā)出的端口地址做判斷，然后將接收到的數(shù)據(jù)存入寄存器中?；谶@樣的功能需求，本課題選用撥碼開關設定端口地址。FPGA選取10位地址信號中的5位與撥碼開關設定的值做比較，如果值相同，再根據(jù)其余5位地址信號向FPGA的四個寄存器中存入數(shù)據(jù)。

硬件電路是通過晶振的震蕩頻率產(chǎn)生脈沖信號的。晶振的震蕩頻率是固定的，但是電路中的信號傳輸速率需要根據(jù)需求調節(jié)，所以需要設計分頻獲得合適的信號傳輸速率。為了從硬件和軟件雙渠道精確的控制信號傳輸速率，選擇撥碼開關設定值，并將該值與程序中為分頻設計的值相加，共同調節(jié)速率。

圖1 電平轉換電路

圖2 端口地址設定與串行速率調節(jié)電路

4 數(shù)據(jù)串行輸出電路設計

數(shù)據(jù)串行輸出電路主要有三部分組成：FPGA芯片、三態(tài)緩沖器，光電耦合器。其中本課題選擇的三態(tài)緩沖器的型號為74HC244。光電耦合器是依靠光電轉換來實現(xiàn)信號傳輸?shù)?，所以在傳輸電信號的時候能夠很好的將輸入和輸出電信號隔離開來。這樣的電氣結構使得輸入信號和輸出信號相隔離，并且將信號傳遞的方向被單一化，使得光電耦合器具備了電絕緣能力和抗干擾的能力。

光耦電路與FPGA芯片的連接電路如圖3所示，74HC244芯片是光電耦合器和FPGA芯片的橋梁。74HC244芯片的1G和2G引腳分別接地，使得輸入端和輸出端保持相同的狀態(tài)。輸入端引腳A1－A4和B1－B4分別與FPGA的I/O引腳I/O124－I/O131相連，輸出端與8組光電耦合器相連接。其中，1Y3引腳連接的光電耦合電路用于傳輸幀同步信號，1Y2引腳連接的光電耦合電路用于傳輸位同步信號，1Y1和2Y1－2Y4引腳連接的5路光電耦合電路均用于傳輸串行數(shù)據(jù)，且每路串行數(shù)據(jù)均為32位，1Y1引腳連接的光電耦合電路作為備用數(shù)據(jù)傳輸電路。光電耦合器的另一端和2個并聯(lián)的9針串口連接器相連接，并接有阻值為10 KΩ的上拉電阻。

圖3 數(shù)據(jù)串行輸出電路

5 結論

研制開發(fā)基于FPGA的串行總線，取代原有的剔除閥信號并行傳輸控制系統(tǒng)，順應了提高煙草異物剔除設備自動化程度的需求。其中基于FPGA設計的信號發(fā)送卡保證了串行總線實現(xiàn)將異物剔除系統(tǒng)中經(jīng)工控機處理后的異物剔除信息高效的傳輸給剔除閥控制單元，最終實現(xiàn)精確剔除異物的目的。此研究結果將現(xiàn)場的并行傳輸方案改變?yōu)榇锌偩€方式的傳輸方案，削減了物理元器件的數(shù)量，系統(tǒng)結構更為簡單，設備的現(xiàn)場安裝及布線工作大為簡化，可以實現(xiàn)設備的遠程控制，方便設備今后的維護、升級工作。

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