[发明专利]一种FPGA与微控制器间实时可靠的波形数据传输电路

说明书

本发明公开了一种FPGA与微控制器间实时可靠的波形数据传输电路。该电路包括冲突检测模块，波形数据候选存储模块，数据跨时钟域模块，微控制器接口模块，波形数据采集模块。该电路在微控制器发出读取波形数据请求后，能够把FPGA内实时刷新的最新波形数据点准确可靠的传送到微控制器。一方面保证了传输的波形数据是FPGA当前时刻最新采集的数据，另一方面实现了数据传输的强实时性和高可靠性，具备很强的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及数据采集和通信技术领域，更具体地说是一种FPGA与微控制器间数据传输领域。

背景技术

控制领域的主控板卡往往采用FPGA+微控制器的架构，FPGA通常实现波形采集与引脚扩展等一系列功能，微控制器器根据当前模数转换器的实时采集数据实现控制算法并发出相应的控制指令。这需要FPGA中的数据能够准确无误并且快速的传输到微控制器中。

微控制器与FPGA往往工作在异步的两个时钟下(不同频率或者同频不同相位)，FPGA负责不断接收模数转换器实时刷新的波形采集数据，微控制器读取数据的时刻与FPGA采集数据的过程是两个异步的过程。电力系统控制领域被测信号往往为50Hz及其整数倍,模数转换器一般工作在几十到几百kSPS，模数转换器的采集延迟典型值在1us～10us数量级。

为了实现波形数据传输，传统上有两种解决方案。一种是微控制器发出读数据请求后，FPGA才发送开始采集信号到模数转换器，要等待模数转换器将数据采集好后才能将数据传递到微控制器。虽然微控制器得到的是最新采集到的数据，但是由于微控制器要“等待”数据采集的过程，实时性在1us～10us量级，并且容易出现数据跨时钟域的读取错误。

另一种方案是在FPGA中先将数据缓存起来，缓存数量从2个到几千个不等，微控制器发出读取请求后，FPGA将事先采集并缓存好的数据传到微控制器。虽然可以将波形数据点在较快的时间内传递到微控制器，但是传输的数据并不是最新的数据，而是微控制器请求数据时刻点以前一段内采集好的数据。例如采样率如果是200kSPS,数据至少是5us以前的数据。这影响了控制的准确度。

发明内容

本发明的目的是，提供一种FPGA与微控制器间实时可靠的波形数据传输电路，一方面可以解决数据传输的实时性(实时性为0.13us)，另一方面可以有效避免数据跨时钟域出现错误的情况，实现高可靠数据传输。

具体而言，本发明提供了一种FPGA与微控制器间实时可靠的波形数据传输电路，其特征在于，包括：冲突检测模块，波形数据候选存储模块，数据跨时钟域模块，波形数据采集模块以及微控制器接口模块：

所述波形数据采集模块用于向其前端的模数转换模块发出开始转换信号，以使得所述模数转换模块基于所述开始转换信号对目标信号进行模数转换，并且波形数据采集模块基于所述开始转换信号进行数据接收并基于数据刷新时刻生成数据有效信号，并且根据所述数据有效信号生成数据展宽信号，所述数据展宽信号的宽度大于所述数据有效信号，并且所述数据展宽信号的中心与所述数据有效信号的边沿对齐；

数据跨时钟域模块基于所述数据有效信号对所采集的波形数据进行存储；

所述冲突检测模块接收所述波形数据采集模块的所述数据展宽信号和所述微控制器接口模块发出的读取波形数据信号，并基于所述读取波形数据信号向所述数据跨时钟域模块发出两次读取请求信号，第一次读取请求信号与所述读取波形数据信号同步，第二次读取请求信号与第一次读取请求信号之间间隔时间大于所述数据展宽信号有效长度；

所述数据跨时钟域模块分别基于两次读取请求信号进行数据读取并将所读取数据送往波形数据候选存储模块并采用不同的寄存器存储；