[实用新型]基于FPGA的串口矩阵切换器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种矩阵切换器，具体的说涉及一种基于FPGA的串口矩阵切换器。

背景技术

串口RS-232通信广泛应用于设备控制和低速通信。应用于设备控制时，上位机通过串口向设备发送控制指令，设备解码指令完成相应操作，在上位机和设备数量众多时，上位机连接的控制设备经常要发生变化，设备也经常需要不同的上位机控制，上位机需要频繁插拔串口线以满足设备不同的控制需求。应用于低速通信时，在线路连接关系改变或线缆损坏时，需要重新布串口线或更换串口线缆。因此，需要一种多路串口通信矩阵切换输出设备，以灵活方便的实现串口设备矩阵控制和分配串口通信线路。

发明内容

本实用新型的目的就是要解决上述问题，提供一种基于FPGA技术实现的串口矩阵切换器 。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于FPGA的串口矩阵切换器包括多个串口输入通道、多个串口输出通道、切换分配串口输入信号到串口输出通道的FPGA矩阵切换模块、控制矩阵切换操作的单片机控制模块和提供系统电源的电源模块。

所述的串口输入和输出通道包括MAX3232串口转换芯片及其外围电路、DB9串口公头和母头、通信指示灯，串口公头和母头并行连接以匹配不同设备的输入输出接口。

所述的FPGA矩阵切换模块包括输入串口通信模块、选通切换模块、译码模块、命令解码模块、SPI总线通信模块和输出串口通信模块。

所述的单片机控制模块与FPGA矩阵切换模块通过SPI总线通信，包括输入按键、输出按键、控制按键、存储模块、显示模块和与上位机通信的控制串口模块。FPGA矩阵切换器通过按键和控制串口两种方式实现矩阵切换和设置操作。

所述的单片机控制模块的输入按键和输出按键选择对应的输入和输出通道号，控制按键切换选择的输入通道到输出通道，控制按键也用于设置矩阵工作状态。

所述的上位机控制软件通过控制串口模块向单片机发送控制指令，单片机根据指令完成矩阵切换和设置操作。

本实用新型的有益效果：通过FPGA的可编程逻辑特性实现串口通信的矩阵切换，在按键和上位机两种方式的控制下，设置串口输入和输出通道的连接关系和通信参数，完成矩阵切换，灵活方便地实现串口设备矩阵控制和分配串口通信线路的功能，可方便地在显示屏和上位机软件上查询和显示连接关系。

附图说明

附图1是串口输入输出通道结构图。

附图2是MAX3232外围电路图。

附图3是FPGA控制器功能模块。

附图4是单片机控制模块结构图 。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步的详细说明。

一种基于FPGA的串口矩阵切换器包括多个串口输入通道、多个串口输出通道、切换分配串口输入信号到串口输出通道的FPGA矩阵切换模块、控制矩阵切换操作的单片机控制模块和提供系统电源的电源模块。

串口输入和输出通道结构，如附图1所示，包括MAX3232串口转换芯片及其外围电路、DB9串口公头和母头、通信指示灯。MAX3232芯片利用双电荷泵技术实现RS-232信号电平与FPGA电平转换，实现RS-232标准要求的数据传输，如附图2所示，芯片外围电路仅需四个0.1uF的电荷泵电容。串口公头和母头并行连接以匹配不同设备的输入输出接口。由FPGA控制器发出PWM信号控制通信指示灯闪烁指示该通道通信状态。

FPGA矩阵切换模块，如附图3所示，包括输入串口通信模块、选通切换模块、译码模块、命令解码模块、SPI总线通信模块和输出串口通信模块。串口通信模块实现RS-232串口通信协议，通过命令解码模块设置波特率等通信参数，在接收和发送数据时，给指示灯发送脉宽调制(PWM)信号，由波特率大小决定脉宽，通过指示灯闪烁快慢指示通信状态和速率。选通切换模块根据译码模块的结果设置相应的输入通道和输出通道的连接关系。译码模块根据输入通道号和输出通道号译码选择对应的输入通道和输出通道。命令解码模块解码来自单片机发送的命令，根据命令产生对应的操作，如通道参数设置和通道切换等。SPI通信模块实现SPI总线通信协议，接收来自单片机控制模块的命令和数据。

单片机控制模块结构，如附图4所示，包括输入按键、输出按键、控制按键、存储模块、显示模块和与上位机通信的控制串口模块。单片机控制模块与FPGA矩阵切换模块通过SPI总线通信，来自按键和上位机的命令通过SPI发送给FPGA控制器。显示模块可显示矩阵切换器状态参数和操作菜单，存储模块存储程序和参数数据。

FPGA矩阵切换器通过按键和控制串口两种方式实现矩阵切换和设置操作。输入按键和输出按键选择对应的输入和输出通道号，控制按键切换选择的输入通道到输出通道，控制按键也用于设置矩阵工作状态。上位机控制软件通过控制串口模块向单片机发送控制指令，单片机根据指令完成矩阵切换和设置操作。