[发明专利]一种基于FPGA的多功能输入输出模块及输入输出方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的多功能输入输出模块（Input/Output Module，简称IOM），可灵活配置，用于高速列车系统中的模块输入输出连接。

背景技术

高速列车中央控制单元CCU（Central Control Unit）由供电模块、中央处理单元CPU、TCN网关、IO模块、总线管理模块、背板等部分组成，主要作用是完成列车系统逻辑控制以及对各部件监控和保护。

多功能输入输出模块(IOM)属于CCU单元中的IO模块的一部分，通过16位数据总线和16位地址总线连接至中央处理单元CPU模块。此模块不仅支持23路模拟信号输入采集、64路控制数字信号输入、46路控制数字信号输出、而且支持频率和脉冲持续时间采集等功能，是CPU模块与外界个模块通讯的重要桥梁。目前国内高速列车系统研发刚刚起步，尚无稳定可靠的多功能输入输出模块。

发明内容

本发明为高速列车CCU系统中中央处理模块与其他模块通讯的重要接口，提供一种基于FPGA的高可靠性模拟信号输入输出、数字信号输入输出模块。该模块由7部分组成：模拟信号输入调理采集单元、模拟信号输出单元、模拟信号输入比较单元、数字信号输入单元、数字信号输出单元、FPGA模块、人机交互模块。此模块通过16位地址总线与16位数据总线与中央处理单元CPU模块通信。机械尺寸采用标准6U板卡。

一种基于FPGA的多功能输入输出模块，在高速列车中央控制单元的IO模块中，在高速列车中央控制单元中由中央处理器CPU、总线管理模块以及背板组成，基于FPGA的多功能输入输出模块通过16位地址总线和16位数据总线与中央处理单元CPU模块通信，

包括模拟信号输入调理采集单元、模拟信号输出单元、数字信号输出/输入单元、模拟信号输入比较单元，以及人机交互系统和FPGA系统，

所述模拟信号输入调理采集单元，收集经由多通道模拟多路器切换后的模拟信号输入，经过模数转换芯片采集后通过SPI接口传入FPGA模块经过FPGA模块读取后通过数据总线与CPU模块进行通讯；

或者模拟控制信号由SPI接口传入模拟信号输出单元；

所述模拟信号输出单元，接收经过SPI接口传送的模拟控制信号经过数模转换芯片电平变化电路传送到输出接口；

所述模拟信号输入比较单元，提供模拟信号电平变换及调理，经过二极管反向保护后在比较器上输出，信号输出供FPGA模块进行数字检测,从而判断端口状态；

所述数字信号输出/输入单元，通过调节双向缓冲器(即双向缓冲芯片,分为A/B两端,可通过控制引脚设置电流导通方向是A至B,或者B至A)方向，可配置为输入模式和输出模式；

人机交互模块，提供控制面板供输入及显示数据，得到的输入信号进入FPGA模块。

进一步的，IOM多功能输入输出模块作为CPU模块和其他个模块输入/输出之间的接口，它经过数据总线和地址总线连接至CPU模块。

进一步的，多功能输入输出模块可以将模拟电压转换为数字值。允许23个外部模拟信号进行12位采样，量程为±10V。其中10个信号从模拟输入传递至极限值监控器(即模拟比较器后进入FPGA进行逻辑判断)。

进一步的，多功能输入输出模块支持4路模拟信号输出，同样为12位精度，±10V范围。

进一步的，多功能输入输出模块支持64路HCMOS数字信号输入，46路HCMOS数字信号输出。

进一步的，多功能输入输出模块拥有9个（数量可配置，通用于数字输入接口）可以用于脉冲宽度/频率输入信号和脉冲宽度/频率输出信号的可编程的计数器模块（16位）。

进一步的，多功能输入输出模块拥有10个安装在前面板内的LED。其中8个LED可经数据总线（软件）寻址；其他两个LED指出“复位”和“总禁止”状态。

可选的，本发明提出的多功能输入输出模块上也带有一个温度传感器、两个BCD开关和7段显示器，亦可通过数据总线（软件）进行存取。模块待用一EEPROM存储器，容量为512kx8。

可选的，在本发明基于FPGA的多功能输入输出模块中，数字信号输入输出模块，

当配置为输入模式时，即缓冲器方向配置为由外部至内部，HCMOS数字信号输入经过双向缓冲器缓冲及电平转换，转化为3.3V LVCMOS电平，供FPGA采集。此信号输入亦可配置为脉冲宽度/频率模式。