CN211015491U - 一种基于mcu+fpga的高速do与pwm输出板卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡，本实用新型将FPGA作为微控制单元MCU外部扩展的功能器件，采用微控制单元MCU的SPI及IO口与FPGA进行实时数据通讯，FPGA可根据微控制单元MCU的命令进行相应的设置，根据设置情况选择输出模式，当为DO输出时，FPGA直接对I/O口信息进行输出操作，延时仅为10ns；当选择为PWM输出模式时，FPGA直接输出对应的PWM信号。本实用新型的有益效果是：充分发挥MCU+FPGA的功能，在原有MCU的方案上，只需增加一片低成本的FPGA芯片，即可实现高精度的DO及PWM输出，成本低，开发周期短，性能高及可靠性高。

Description

一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡

技术领域

本实用新型涉及汽车检测领域，具体涉及一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡，可适用于汽车控制器等电子部件的检测系统。

背景技术

汽车控制器等电子部件检测时，经常需要用到开关量输出信号及PWM信号，且实时性、精度等要求极高。国内大多DO板卡采用MCU实现，虽然DO输出具有较好的实时性，但PWM输出能力极弱，甚至有些DO板卡不具备此功能。国外一些高性能板卡均采用FPGA方案实现，但价格极高。如果所有功能均采用FPGA实现，其开发难度和开发周期都会成倍增大。

为了克服上述的不足，仅仅使用现有的微处理器，已无法满足PWM输出要求，特别是在输出路数较多时。采用FPGA方案是可以实现的，但开发周期长，成本较高。本实用新型采用微控制单元MCU和FPGA作为板卡的控制系统，把通讯、计算、存储等功能放到微控制单元MCU上进行处理，DO的输出也是微控制单元MCU直接控制的，FPGA只起到传输作用，将PWM功能，及输出形式放到FPGA上，实现高精度的PWM输出。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡。

本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现：

一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡，包括微控制单元MCU和FPGA单元；微控制单元MCU分别通过8个IO端口和一路串行外设接口SPI与FPGA单元连接；FPGA单元与开关量输出单元DO相连接；

在DO输出状态下，微控制单元MCU发送DO信号经过FPGA单元，FPGA单元不对信号进行处理，直接将MCU发送的DO信号传输到开关量输出单元DO；

在PWM输出状态下，微控制单元MCU通过串行外设接口SPI发送输出配置信息及PWM输出信息，FPGA单元根据接收到的输出配置信息及PWM输出信息产生相应的PWM输出信号，并将PWM输出信号传输到开关量输出单元DO；

微控制单元MCU与主机实时通讯连接。

进一步的，所述微控制单元MCU通过EtherCAT通讯单元与主机实时通讯连接。

进一步的，所述FPGA单元通过8对IO端口与开关量输出单元DO连接。

进一步的，所述的配置信息及PWM输出信息包括频率、占空比和相位信息。

本实用新型的有益效果是：充分发挥MCU+FPGA 的功能，在原有MCU的方案上，只需增加一片低成本的FPGA芯片，即可实现高精度的DO及PWM输出，成本低，开发周期短，性能高及可靠性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进一步说明。

图1 是本实用新型电气原理图；

图2 是FPGA单元顶层原理图。

其中： POWER表示整个系统的供电单元，MCU为微控制单元，FPGA为FPGA单元，EtherCAT为EtherCAT通讯单元， DO为开关量输出单元，SPI为SPI通讯单元。

具体实施方式

图1 为本实用新型的高速DO与PWM输出板卡的电气原理图，包括微控制单元MCU、EtherCAT通讯单元、FPGA单元和开关量输出单元DO。

EtherCAT通讯单元与微控制单元MCU相连，实现与主机的实时通讯；微控制单元MCU通过8个IO口及一路SPI与FPGA单元相连；FPGA单元通过8对（16个）IO口与开关量输出单元相连。

所述微控制单元MCU内部包括多种通信接口、RAM、ROM、定时器，实现核心单元的实时通讯、数据计算、存储模板自检功能，微控制单元MCU通过EtherCAT通讯单元与主机进行实时通讯，主要数据有输出配置信息、DO输出值及PWM信号的频率、占空比，微控制单元MCU具有存储功能，掉电后相关配置信息不会丢失，保证板卡上电即可正常工作，微控制单元MCU还具有自检功能，并通过指示灯进行实时显示，便于故障排查。

FPGA单元是此设计的核心，本实用新型将FPGA 作为微控制单元MCU 外部扩展的功能器件，FPGA与微控制单元MCU之间通过2种方式进行连接，一种是8路IO口连接，另一种是SPI接口。SPI接口主要用于配置信息的传输，配置信息对延时的要求比较低，SPI接口完全满足性能要求，当配置为PWM输出时，FPGA会根据具体的配置信息，产生PWM信号，通过8对（16个）IO口进行输出，当配置为DO输出时，输出端口直接由输入的8个IO口进行控制，延时仅为10ns。

开关量输出单元可以根据FPGA的输出信号，确定是推挽输出、源型输出、漏型输出还是高阻输出（主要由一对IO信号决定，此对IO还自带死区控制功能，保证上下管不会同时导通）。开关量输出单元自带过流保护功能及短路保护功能，保证在接线错误，或送入信号有问题时，模块不会损坏。

图2 是FPGA单元顶层原理图（只以1个通道为例，实际是8个通道）。其主要由2个模块组成，一个单元是SPI通讯模块，另一个模块是PWM及DO输出模块。SPI通讯模块可以进行相应通讯，并提取每个通道的频率、占空比、相位及相应的配置信息。PWM及DO输出模块根据配置信息确定输出类型及模式，如为PWM输出，则此模块将产生对应的PWM信号，用于驱动DO_H和DO_L，这一对信号自带死区控制，可以根据配置信息修改死区时间。如为DO输出，则DO_H和DO_L直接由输入信号DI控制（死区及输出模式依然有配置信息确定）。

所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的范围。

Claims (4)

1.一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡，其特征在于，包括微控制单元MCU和FPGA单元；微控制单元MCU分别通过8个IO端口和一路串行外设接口SPI与FPGA单元连接；FPGA单元与开关量输出单元DO相连接；

在DO输出状态下，微控制单元MCU发送DO信号经过FPGA单元，FPGA单元不对信号进行处理，直接将MCU发送的DO信号传输到开关量输出单元DO；

在PWM输出状态下，微控制单元MCU通过串行外设接口SPI发送输出配置信息及PWM输出信息，FPGA单元根据接收到的输出配置信息及PWM输出信息产生相应的PWM输出信号，并将PWM输出信号传输到开关量输出单元DO；

微控制单元MCU与主机实时通讯连接。

2.如权利要求1所述的一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡，其特征在于，所述微控制单元MCU通过EtherCAT通讯单元与主机实时通讯连接。

3.如权利要求1所述的一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡，其特征在于，所述FPGA单元通过8对IO端口与开关量输出单元DO连接。

4.如权利要求1所述的一种基于MCU+FPGA的高速DO与PWM输出板卡，其特征在于，所述的配置信息及PWM输出信息包括频率、占空比和相位信息。

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