基于FPGA的智能仪器远程控制系统设计

目前智能仪器已广泛应用于科研和工业生产当中，但是许多仪器分散在不同的地理位置上，不易操作和维护，并且实时跟踪性能差，人为误差大，数据无法保存，另外大量高档仪表价格相当昂贵。为解决上述难题，在计算机的提示下完成操作，可以减少人为因素造成的损坏，并提高测试数据的准确度。由于智能仪器是RS 232接口，上位机用的是USB接口，所以还需由FPGA实现RS232与USB之间的接口转换。由于FPGA可以并行处理，集成度高，可用资源丰富，所以利用FPGA进行数据处理，可以减少上位机的工作量，减少数据处理的时间，还可以缩短设计周期，减小板卡体积，以便于集成到其他板卡上。

1 控制系统及接口简介
1．1 系统功能
在整个系统中，上位机可以实时对系统进行监控，并下发相应的命令。智能仪器传出的数据通过RS 232接口传送到FPGA，FPGA根据上位机下发的命令对这些数据进行判决、处理，然后经过USB接口上传给上位机，再由上位机对FPGA处理过的数据进行显示、存储等操作。
1．2 USB接口芯片简介
本设计采用的是CYPRESS半导体公司的EZ-USBFX2系列芯片CY7C68013。CY7C68013是一款高性能USB 2．0微控制器，它提供了全面的USB 2．0外围设备解决方案。工作模式有Port，Slave FIFO和GPIFMaster三种，本方案采用Slave FIFO模式。在该模式下，外部控制器(如FPGA)可像对普通FIFO一样对FX2中端点为2，4，6，8的数据缓冲区进行读／写。FX2内嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相关的寄存器，以及控制FX2何时工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件将相关的寄存器配置完毕，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部逻辑(如FPGA)即可按照Slave FIFO的传输时序，高速地与主机进行通信，而在通信过程中不需要8051固件的参与。
1．3 RS 232接口简介
RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准。EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态的，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够与计算机接口或终端的TTL器件连接，必须使EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。该设计用的是MAX3232芯片。
RS 232的数据传输格式如图1所示。

RS 232传输格式包含起始位(1 b)、有效数据位(8 b)、奇偶校验位(0～2 b)、停止位(1 b)。传输线在空闲时为高电平，因此起始位为低电平，停止位为高电平。奇偶校验位可设置为奇校验、偶校验或不校验，有效数据位是从低位开始传送。

2 FPGA设计
2．1USB接口时序
在Slave FIFO方式下，外部逻辑与FX2的连接信号如图2所示。