CN114035463A - 数字化仪控系统专用集成电路及控制芯片 - Google Patents

数字化仪控系统专用集成电路及控制芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字化仪控系统专用集成电路及控制芯片，所述专用集成电路包括时钟接口和多个功能模块，所述时钟接口用于将外部时钟信号接收至所述专用集成电路并传输至所述多个功能模块，所述多个功能模块用于在所述外部时钟信号的统一驱动下并行工作。本发明不执行任何软件代码，解决系统稳定性问题；数字化仪控系统专用集成电路数据并行处理机制提高数字化仪控系统整体处理速度；用户使用时只需通过设置相应参数就可以使用数字化仪控系统专用集成电路的各基础功能，降低了数字化仪控系统的技术开发门槛和开发成本，缩短了数字化仪控系统开发周期；专用集成电路在批量生产时具有体积小、功耗低、可靠性高、保密性强、成本低的优点。

Description

数字化仪控系统专用集成电路及控制芯片
技术领域
本发明属于仪控设计技术领域，具体涉及一种数字化仪控系统专用集成电路及控制芯片。
背景技术
仪控系统的数字化，在逻辑处理、计算能力、测量与控制精确度等方面具有明显优势。从技术类型来分，当前行业内主要采用CPU(中央处理器)或FPGA(现场可编程逻辑门阵列)技术来实现数字化仪控系统，但这两种方法都有明显缺陷，为实现仪控系统的数字化造成困难。
当采用CPU技术实现数字化仪控系统时，CPU在执行软件指令时，会发生死机现象，存在稳定性的问题。其次，CPU顺序执行软件指令，处理速度存在瓶颈。而且，CPU内部运行的程序代码容易被破解复制。
而采用FPGA技术实现数字化仪控系统时，FPGA芯片的开发门槛和开发成本高，开发周期长，大规模应用时系统的成本比较高。并且，FPGA芯片的逻辑电路配置数据容易被破解复制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中数字化仪控系统的实现方法存在不足的缺陷，提供一种数字化仪控系统专用集成电路及控制芯片。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种数字化仪控系统专用集成电路，所述专用集成电路包括时钟接口和多个功能模块，所述时钟接口用于将外部时钟信号接收至所述专用集成电路并传输至所述多个功能模块，所述多个功能模块用于在所述外部时钟信号的统一驱动下并行工作。
优选地，所述多个功能模块包括：
应用控制器模块，用于和外部应用处理芯片交换数据；
输入处理模块，用于对采样数据进行校准、取绝对值、滤波、补偿、拟合、缩放和离散处理；
输出处理模块，用于对输出数据进行校准、缩放处理；
输入输出控制器模块，用于控制所述专用集成电路和外部模拟转数字芯片、外部数字转模拟芯片、外部串行通讯芯片之间的数据输入和数据输出；
数据传输模块，用于负责所述专用集成电路之间的数据交换；
内存控制器模块，用于内存数据读写。
优选地，所述多个功能模块还包括：
诊断维护模块，用于系统监测、数据存储、硬件调试、状态显示、运行参数配置、读取拨码开关配置输入、读取外部写保护状态；
看门狗控制器模块，用于输出喂狗信号；
电源管理模块，用于控制外部十二组输入输出电路的电源；
时钟监测模块，用于监测输入时钟信号。
优选地，所述专用集成电路还包括以下对外接口：
应用接口，用于实现所述应用控制器模块与所述外部应用处理芯片之间的连接；
输入输出接口，用于实现所述输入输出控制器模块与所述外部模拟转数字(ADC)芯片、所述外部数字转模拟(DAC)芯片、所述外部串行通讯芯片之间的连接；
内存接口，用于实现所述内存控制器模块和外部内存芯片之间的连接；
数据传输接口，用于实现所述数据传输模块和其它专用集成电路之间的连接。
优选地，所述专用集成电路还包括以下对外接口：
诊断维护接口，用于实现所述诊断维护模块与外部系统电压采样芯片、存储芯片、逻辑分析仪、状态灯、拨码开关的连接；
所述时钟接口，还用于实现所述时钟监测模块与外部主副时钟的连接；
看门狗接口，用于实现所述看门狗控制器模块与外部看门狗电路的连接；
电源管理接口，用于实现所述电源管理模块与所述外部十二组输入输出电路的电源使能信号的连接。
优选地，所述专用集成电路的工作模式包括：启动模式、自检模式、校准模式、运行模式和故障模式。
优选地，在发生复位或时钟失效时，所述专用集成电路进入或保持所述启动模式；或，
在所述启动模式下，如果发生故障错误，所述专用集成电路进入所述故障模式；如果判断配置正确后，所述专用集成电路进入所述自检模式；或，
在所述自检模式下，如果外部写保护无效，所述专用集成电路进入所述校准模式；如果外部写保护有效且自检不通过，所述专用集成电路进入所述故障模式；如果外部写保护有效且自检通过，所述专用集成电路进入所述运行模式；或，
在所述运行模式下，如果外部写保护无效，所述专用集成电路进入所述校准模式；如果外部写保护有效且发生故障错误，所述专用集成电路进入所述故障模式；或
在所述校准模式下，如果外部写保护有效，所述专用集成电路进入所述启动模式；或，
当发生外部电源故障时，所述专用集成电路进入所述故障模式，在所述故障模式下：如果所述外部电源故障转为正常，所述专用集成电路进入所述启动模式；如果外部写保护无效，所述专用集成电路进入所述校准模式。
优选地，所述专用集成电路通过所述应用接口访问应用处理芯片地址空间；应用处理芯片通过所述应用接口访问所述专用集成电路地址空间。
本发明还提供了一种数字化仪控系统控制芯片，所述数字化仪控系统控制芯片包括上述的数字化仪控系统专用集成电路。
本发明的积极进步效果在于：本发明不执行任何软件代码，解决系统稳定性问题；数字化仪控系统专用集成电路数据并行处理机制提高数字化仪控系统整体处理速度；用户使用时只需通过设置相应参数就可以使用数字化仪控系统专用集成电路的各基础功能，降低了数字化仪控系统的技术开发门槛和开发成本，缩短了数字化仪控系统开发周期；专用集成电路在批量生产时具有体积小、功耗低、可靠性高、保密性强、成本低的优点。
附图说明
图1为本申请较佳实施例的数字化仪控系统专用集成电路的结构示意图。
图2为本申请较佳实施例的数字化仪控系统专用集成电路的模拟输入数据处理的流程图。
图3为本申请较佳实施例的数字化仪控系统专用集成电路的模拟输出数据处理的流程图。
图4为本申请较佳实施例的数字化仪控系统专用集成电路的串行通讯数据处理的流程图。
图5为本申请较佳实施例的数字化仪控系统专用集成电路的工作模式切换的示意图。
图6为本申请较佳实施例的数字化仪控系统专用集成电路和应用处理芯片的地址空间的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本实施例提供一种数字化仪控系统专用集成电路，所述专用集成电路包括时钟接口和多个功能模块，所述时钟接口用于将外部时钟信号接收至所述专用集成电路并传输至所述多个功能模块，所述多个功能模块用于在所述外部时钟信号的统一驱动下并行工作。图1示出了本实施例的专用集成电路的结构示意图。参见图1，本实施例的专用集成电路内部基础功能模块主要分为：应用控制器模块1、输入处理模块2、输出处理模块3、输入输出控制器模块4、数据传输模块5、诊断维护模块6、内存控制器模块7、电源管理模块8、看门狗控制器模块9和时钟监测模块10。
应用控制器模块1负责和应用处理芯片通讯。专用集成电路和外部应用处理芯片之间通过该模块交换应用相关的数据。
输入处理模块2负责对采样数据进行校准、取绝对值、滤波、补偿、拟合、缩放和离散处理。
输出处理模块3负责对输出数据进行校准、缩放处理。
输入输出控制器模块4负责专用集成电路工作数据的输入输出。该模块工作模式可分为：模拟输入、模拟输出和串行通讯。专用集成电路内部例化十二个该模块以支持同时控制十二路工作数据的输入或输出。
数据传输模块5负责专用集成电路之间的相互通讯。
诊断维护模块6负责系统监测、数据存储、硬件调试、状态显示、运行参数配置、读取拨码开关配置输入、读取外部写保护状态。
内存控制器模块7负责内存数据读写。
电源管理模块8负责控制外部十二组输入输出电路的电源。
看门狗控制器模块9负责输出喂狗信号。
时钟监测模块10负责监测输入时钟信号。
参见图1，本实施例的专用集成电路对外接口主要分为：应用接口、输入输出接口、内存接口、数据传输接口、诊断维护接口、时钟接口、看门狗接口、电源管理接口。
应用接口实现专用集成电路应用控制器模块1与应用处理芯片之间的连接。应用数据通过该接口在两者之间双向传输。专用集成电路可以通过该接口访问应用处理芯片地址空间。应用处理芯片可以通过该接口访问专用集成电路地址空间。
输入输出接口实现专用集成电路输入输出控制器模块4与外部模拟转数字芯片、数字转模拟芯片、串行通讯芯片之间的连接。专用集成电路有十二组输入输出接口以对应十二个输入输出模块4。
内存接口实现专用集成电路内存控制器模块7和外部内存芯片之间的连接。
数据传输接口实现专用集成电路数据传输模块5和其它专用集成电路之间的连接。
诊断维护接口实现专用集成电路诊断维护模块6与外部系统电压采样芯片、存储芯片、逻辑分析仪、状态灯、拨码开关的连接。
时钟接口实现专用集成电路时钟监测模块10与外部主副时钟的连接。
看门狗接口实现专用集成电路看门狗控制器模块9与外部看门狗电路的连接。
电源管理接口实现专用集成电路电源管理模块8与外部十二组输入输出电路的电源使能信号的连接。
图2示出了本实施例的专用集成电路的模拟输入数据处理的流程图，具体地，模拟输入数据处理流程的步骤包括：
外部模拟转数字芯片的采样数据经专用集成电路的输入输出接口进入输入处理模块2。
输入处理模块2按照配置参数对采样数据按序进行或旁通以下处理：校准，取绝对值，滤波，补偿，拟合，缩放，离散(按照配置阈值更新离散状态)。
经过输入处理模块2处理后的数据和状态经专用集成电路的应用接口输出到外部应用处理芯片。
图3示出了本实施例的专用集成电路的模拟输出数据处理的流程图，具体地，模拟输出数据处理流程的步骤包括：
外部应用处理芯片的输出数据经专用集成电路的应用接口进入输出处理模块3。
输出处理模块3按照配置参数对输出数据按序进行或旁通以下处理：校准，缩放。
经过输出处理模块3处理后的数据经专用集成电路输入输出接口输出到外部数字转模拟芯片。
图4示出了本实施例的专用集成电路的串行通讯数据处理的流程图，具体地，串行通讯数据处理流程的步骤包括：
专用集成电路通过输入输出接口与外部串行通讯芯片交换通讯数据。
专用集成电路通过应用接口与外部应用处理芯片交换通讯数据。
专用集成电路内部输入输出接口与应用接口交换通讯数据。
图5示出了本实施例的专用集成电路的工作模式切换的示意图。参见图5，本实施例的专用集成电路的工作模式包括：
启动模式、自检模式、校准模式、运行模式和故障模式。以下以优先级由高到低的顺序描述工作模式间的相互切换：
当发生复位或时钟失效时，专用集成电路进入或保持启动模式。
在启动模式下：如果发生故障错误，专用集成电路进入故障模式；如果判断配置正确后，专用集成电路进入自检模式。
在自检模式下：如果外部写保护无效，专用集成电路进入校准模式；如果外部写保护有效且自检不通过，专用集成电路进入故障模式；如果外部写保护有效且自检通过，专用集成电路进入运行模式。
在运行模式下：如果外部写保护无效，专用集成电路进入校准模式；如果外部写保护有效且发生故障错误，专用集成电路进入故障模式。
在校准模式下：如果外部写保护有效，专用集成电路进入启动模式。
当发生外部电源故障时，专用集成电路进入故障模式。
在故障模式下：如果外部电源故障转为正常，专用集成电路进入启动模式；如果外部写保护无效，专用集成电路进入校准模式。
图6示出了本实施例的专用集成电路和应用处理芯片的地址空间的示意图，具体地：
存储器地址空间映射外部存储器芯片内部存储单元。
内存地址空间映射外部内存芯片内部存储单元。
诊断维护地址空间映射系统控制寄存器。
系统状态地址空间映射系统状态寄存器。
应用地址空间映射外部应用处理芯片内部寄存器。
在本实施例中，专用集成电路工作温度范围为-45℃～105℃。
在本实施例中，专用集成电路静电防护：人体放电模式最高为2000V，带电器件放电模式最高为500V。
本实施例还提供一种数字化仪控系统控制芯片。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种数字化仪控系统专用集成电路，其特征在于，所述专用集成电路包括时钟接口和多个功能模块，所述时钟接口用于将外部时钟信号接收至所述专用集成电路并传输至所述多个功能模块，所述多个功能模块用于在所述外部时钟信号的统一驱动下并行工作。
2.如权利要求1所述的数字化仪控系统专用集成电路，其特征在于，所述多个功能模块包括：
应用控制器模块，用于和外部应用处理芯片交换数据；
输入处理模块，用于对采样数据进行校准、取绝对值、滤波、补偿、拟合、缩放和离散处理；
输出处理模块，用于对输出数据进行校准、缩放处理；
输入输出控制器模块，用于控制所述专用集成电路和外部模拟转数字芯片、外部数字转模拟芯片、外部串行通讯芯片之间的数据输入和数据输出；
数据传输模块，用于负责所述专用集成电路之间的数据交换；
内存控制器模块，用于内存数据读写。
3.如权利要求1所述的数字化仪控系统专用集成电路，其特征在于，所述多个功能模块还包括：
诊断维护模块，用于系统监测、数据存储、硬件调试、状态显示、运行参数配置、读取拨码开关配置输入、读取外部写保护状态；
看门狗控制器模块，用于输出喂狗信号；
电源管理模块，用于控制外部十二组输入输出电路的电源；
时钟监测模块，用于监测输入时钟信号。
4.如权利要求2所述的数字化仪控系统专用集成电路，其特征在于，所述专用集成电路还包括以下对外接口：
应用接口，用于实现所述应用控制器模块与所述外部应用处理芯片之间的连接；
输入输出接口，用于实现所述输入输出控制器模块与所述外部模拟转数字芯片、所述外部数字转模拟芯片、所述外部串行通讯芯片之间的连接；
内存接口，用于实现所述内存控制器模块和外部内存芯片之间的连接；
数据传输接口，用于实现所述数据传输模块和其它专用集成电路之间的连接。
5.如权利要求3所述的数字化仪控系统专用集成电路，其特征在于，所述专用集成电路还包括以下对外接口：
诊断维护接口，用于实现所述诊断维护模块与外部系统电压采样芯片、存储芯片、逻辑分析仪、状态灯、拨码开关的连接；
所述时钟接口，还用于实现所述时钟监测模块与外部主副时钟的连接；
看门狗接口，用于实现所述看门狗控制器模块与外部看门狗电路的连接；
电源管理接口，用于实现所述电源管理模块与所述外部十二组输入输出电路的电源使能信号的连接。
6.如权利要求1所述的数字化仪控系统专用集成电路，其特征在于，所述专用集成电路的工作模式包括：启动模式、自检模式、校准模式、运行模式和故障模式。
7.如权利要求6所述的数字化仪控系统专用集成电路，其特征在于，在发生复位或时钟失效时，所述专用集成电路进入或保持所述启动模式；或，
在所述启动模式下，如果发生故障错误，所述专用集成电路进入所述故障模式；如果判断配置正确后，所述专用集成电路进入所述自检模式；或，
在所述自检模式下，如果外部写保护无效，所述专用集成电路进入所述校准模式；如果外部写保护有效且自检不通过，所述专用集成电路进入所述故障模式；如果外部写保护有效且自检通过，所述专用集成电路进入所述运行模式；或，
在所述运行模式下，如果外部写保护无效，所述专用集成电路进入所述校准模式；如果外部写保护有效且发生故障错误，所述专用集成电路进入所述故障模式；或
在所述校准模式下，如果外部写保护有效，所述专用集成电路进入所述启动模式；或，
当发生外部电源故障时，所述专用集成电路进入所述故障模式，在所述故障模式下：如果所述外部电源故障转为正常，所述专用集成电路进入所述启动模式；如果外部写保护无效，所述专用集成电路进入所述校准模式。
8.如权利要求4所述的数字化仪控系统专用集成电路，其特征在于，所述专用集成电路通过所述应用接口访问应用处理芯片地址空间；应用处理芯片通过所述应用接口访问所述专用集成电路地址空间。
9.一种数字化仪控系统控制芯片，其特征在于，所述数字化仪控系统控制芯片包括如权利要求1-8任一项所述的数字化仪控系统专用集成电路。
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