CN106226686A - 一种能够实时测量fpga内部温度及电压的结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，其包括：温度及电压输入选择模块，用于选择需要测量的温度及电压；模数转换模块ADC，用于把测量的模拟量转化为数字量；控制逻辑模块，用于控制通道模式、处理数字测量结果；图形输出模块，用于把芯片上的测量值在计算机屏幕上形成曲线。本发明的优点是：这种结构实现了实时测量FPGA内部温度及电压，方便直观，减少FGPA专门测试电压模块及PIN脚，同时当FPGA内部温度及电压不在设定的合理范围内，报警输出信号有效，产生警报，能够有效保护FPGA芯片。

Description

一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构

技术领域

本发明涉及一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，属于可编程逻辑器件技术领域。

背景技术

可编程逻辑器件(FPGA)，基于重复配置的存储技术，通过重新下载编程，完成电路的修改，具有开发周期短，成本低，风险小，便于电子系统维护和升级等优点，因此成为了集成电路芯片的主流。可编程逻辑器件，主要包含控制系统，可编程逻辑单元，数字信号处理DSP，存储单元BRAM以及一些高速接口，时钟模块和IP核等。

现有技术中，一般FPGA开发过程中，内部需要测试的电压比如电源电压，可编程存储单元电源电压SRAMVDD，内部带隙基准BANDGAP输出都会通过专门的NC PIN脚引出来做测试，芯片测试完成之后便不再使用，这样会浪费一部分硬件资源，同时用户在实际使用中，也不能实时监控FPGA的工作温度及工作电压是否在一个合理的范围内。

所以，希望能够提出一种测试结构，可以在不需要增加NC PIN脚的基础上对电源电压，SRAMVDD，带隙基准模块的输出进行测试，同时在实际使用中，用户可以直观地看到想监测的温度及电压的值，方便确定FPGA是否正常工作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，并且根据用户应用要求，可显示FPGA内部温度及电压曲线图，实现灵活。

按照本发明提供的技术方案，所述能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构包括：温度及电压输入选择模块，用于选择需要测量的温度及电压；模数转换模块，用于把测量的模拟信号转化为数字信号；控制逻辑模块，用于控制通道模式、处理数字测量结果；图形输出模块，用于把芯片上的测量值在计算机屏幕上形成曲线；所述温度及电压输入选择模块包括两个多路选择器MUX1和MUX2、电压传感电路和温度传感电路，多路选择器MUX1的输入端分别连接FPGA的模拟电路供电电压VCCAUX、FPGA的数字电路供电电压VCCINT、FPGA内部可编程存储模块的供电电压SRAMVDD、FPGA内部各个带隙基准模块的输出电压，多路选择器MUX1的输出端连接电压传感电路的输入端，电压传感电路的输出端和温度传感电路的输出端连接多路选择器MUX2的输入端，多路选择器MUX1和MUX2的选择控制信号端分别连接所述控制逻辑模块的输出端；多路选择器MUX2的输出端经过模数转换模块连接到控制逻辑模块的输入端，控制逻辑模块还通过所述图形输出模块连接计算机。

具体的，所述模数转换模块包括：一个归一化处理电路，用于把输入的温度或电压压缩到模数转换模块的量程之内；一个参考电压电路，用于产生多个参考电压；一个乘2求余电路，用于把输入模拟信号和每个参考电压比较，并产生串行数字信号；一个串转并电路，用于将所述串行数字信号转化成并行数据输出；所述归一化处理电路的输出端依次连接乘2求余电路、串转并电路，归一化处理电路和乘2求余电路的参考电压端分别连接参考电压电路。

所述模数转换模块中，输入的模拟信号经过所述归一化处理电路，对信号进行归一化处理，随后信号进入到所述乘2求余电路，与三个参考电压进行比较，三个参考电压分别为0.5V，1V，1.5V，将输入信号转换成数字信号形式，再经过串并转换，最终产生16位并行数据输出。

具体的，所述控制逻辑模块包括：一个通道模式选择模块，用于控制是单通道模式还是多通道模式；一个通道选择模块，输出控制信号，用于选择具体的测量通道；一个20位累加器，用于累加每一次的测量结果，并输出数据；一个数据比较器，用于比较用户自定义的数值和实际测量值；一个状态寄存器，用于存放实际测量数据；一个报警输出模块，根据数据比较器的结果决定输出，若实际测量值大于用户自定义的最大值或者小于用户自定义的最小值，则报警输出模块输出高电平；以及一个控制寄存器，用于存放通道模式选择控制字、用户定义的温度和电压的最大最小值；所述控制寄存器的输出端分别连接通道模式选择模块和数据比较器，通道模式选择模块的输出端连接通道选择模块，通道选择模块的输出端分别连接数据比较器和状态寄存器，20位累加器的输入端连接模数转换模块的输出端，20位累加器的输出端分别连接数据比较器、状态寄存器，数据比较器的输出端连接报警输出模块。

用户在所述控制逻辑模块中的控制寄存器中写入控制字，决定通道模式，选择需要测量的通道，控制逻辑模块把控制信号送至所述温度及电压输入选择模块，打开对应通道开关，控制逻辑模块对所述模数转换模块输出的16位数据选择(1)、不平均，分别送入状态寄存器及数据比较器；或者(2)、16个数据平均，模数转换模块进行16次测量，然后对这16个模数转换输出结果相加后取平均；或者(3)、32个数据平均，模数转换模块进行32次测量，然后对这32个模数转换输出结果相加后取平均；或者(4)、64个数据平均，模数转换模块进行64次测量，然后对这64个模数转换输出结果相加后取平均；经过平均处理之后的数据分别送入状态寄存器及数据比较器，送入状态寄存器的值就是一次测量的最终结果，计算机可以访问，数据比较器的另外一组输入值是控制寄存器中用户定义的温度及电压的最大值和最小值，比较的结果送入报警输出模块。

所述图形输出模块包括专用JTAG线，所述专用JTAG线用于将FPGA芯片和计算机连接。所述图形输出模块读取状态寄存器中温度及电压的测量结果，经过转化后在计算机屏幕上显示温度时间曲线和电压时间曲线。

本发明的优点：对于FPGA芯片的内部电压，不必再加专门的NC PIN脚引出来做测试，可以直接把所测的温度及电压以图形输出，方便直观；可以实时测量FPGA的温度，确保芯片工作在一个合理的温度范围内，当温度过高时，提醒用户采取相应措施，延长FPGA芯片寿命。

附图说明

图1为本发明的总体结构图。

图2为本发明的模数转换模块ADC结构图。

图3为本发明的控制逻辑模块结构图。

图4为本发明硬件测试连接示意图。

图5为本发明温度曲线测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施方式。

如图1所示，一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，包括温度及电压输入选择模块1，用于选择需要测量的温度及电压；模数转换模块ADC 2，用于把测量的模拟信号转化为数字信号；控制逻辑模块3，用于控制通道模式、处理数字测量结果；图形输出模块4，用于把芯片上的测量值在计算机屏幕上形成曲线。

其中，所述温度及电压输入选择模块1包括两个多路选择器MUX1和MUX2，一个电压传感电路，一个温度传感电路，两个多路选择器的选择控制信号来自于所述控制逻辑模块。多路选择器MUX1的输入端分别连接FPGA的模拟电路供电电压VCCAUX、FPGA的数字电路供电电压VCCINT、FPGA内部可编程存储模块的供电电压SRAMVDD、FPGA内部各个带隙基准模块的输出电压，多路选择器MUX1的输出端连接电压传感电路的输入端，电压传感电路的输出端和温度传感电路的输出端连接多路选择器MUX2的输入端，多路选择器MUX1和MUX2的选择控制信号端分别连接所述控制逻辑模块的输出端；多路选择器MUX2的输出端经过模数转换模块连接到控制逻辑模块的输入端，控制逻辑模块还通过所述图形输出模块连接计算机。

所述温度及电压输入选择模块1用于选择需要测量的温度及电压，如图1，其输入包括温度信号、VCCAUX、VCCINT、SRAMVDD、VBG1、VBG2、VBG3，VCCAUX、VCCINT为FPGA的供电电压，SRAMVDD为FPGA内部可编程存储模块的供电电压，VBG1、VBG2、VBG3为FPGA内部3个带隙基准模块的输出电压。

所述模数转换模块ADC 2用于把模拟输入信号转化为数字信号，结构如图2所示，包括：一个归一化处理电路，用于把输入的温度或电压压缩到ADC的量程之内；一个参考电压电路，用于产生三个参考电压；一个乘2求余电路，用于把输入模拟信号和参考电压比较，并产生串行数字信号；一个串转并电路，用于将串行数字信号转化成16位并行数据。当其中一个通道开关打开之后，温度或者电压输入通过多路选择器开关，作为ADC的输入信号，输入的模拟信号经过所述归一化处理电路，对信号进行归一化处理，随后信号进入到乘2求余电路，信号与所述三个参考电压(分别为0.5V，1V，1.5V)进行比较，将模拟输入信号转换成数字信号形式，经过串并转换，最终产生16位并行输出数据，有效位是高10位。

所述控制逻辑模块3结构如图3所示，包含一个通道模式选择模块，用于控制是单通道模式还是多通道模式；一个通道选择模块，用于选择具体的测量通道；一个20位累加器，用于累加每一次的测量结果；一个数据比较器，用于比较用户自定义的数值和实际测量值，一个状态寄存器，用于存放实际测量数据；一个报警输出模块(图中ALARM输出)，用于输出比较器结果；以及一个控制寄存器。其16位输入数据是ADC的输出数据，所述控制寄存器中存放通道模式选择控制字，用户定义的温度和电压的最大最小值；所述通道模式选择模块决定选择单通道还是多通道测量，若选择多通道测量方式，测量会按照温度，VCCAUX，VCCINT，SRAMVDD，VBG1，VBG2，VBG3这个固定的顺序进行测量；所述通道选择模块决定具体需要测量的温度及电压，可以选择温度，VCCAUX，VCCINT，SRAMVDD，VBG1，VBG2，VBG3中的一个或多个，并把控制信号送至MUX1和MUX2，打开相应的通道控制开关，当所述16位输入数据准备好之后，可以选择不平均，16个数据平均，32个数据平均，64个数据平均。若选择不平均，则输入数据直接送至状态寄存器和数据比较器；若选择16平均，则每一个16位数据送入20位累加器的低16位，经过16次累加后，取高16位数据送至状态寄存器和数据比较器；若选择32平均，则每一个16位数据移一位取其高15位送入20位累加器的低15位，经过32次累加后，取高16位数据送至状态寄存器和数据比较器；若选择64平均，则每一个16位数据移两位取其高14位送入20位累加器的低14位，经过64次累加后，取高16位数据送至状态寄存器和数据比较器；所述数据比较器比较实际测量的数据和用户定义的值，若实际测量值超出用户定义的范围，ALARM输出为高，产生警报，说明芯片没有在设定的温度或者电压范围内工作。

本发明进行图形输出的连接方式如图4所示，所述图形输出模块4包括专用JTAG线，用于把FPGA芯片和计算机相连。其测量的温度和电压值都存放在FPGA内部的状态寄存器中，通过专用的JTAG线把FPGA和计算机相连，读取状态寄存器中温度及电压的测量结果，读取控制寄存器中用户设定的温度及电压的最小值及最大值，经过转化后在计算机屏幕上显示温度时间曲线和电压时间曲线。

本发明的温度曲线测试结果如图5所示，其中横坐标是时间，纵坐标是测量的温度值，最大、最小值是用户设定后存放于所述控制寄存器中的，计算机在读取控制寄存器中的最大、最小值之后，会在图中显示成两条直线，中间的曲线是实际测量的温度曲线，当曲线超过上限或者下限时，提醒用户注意芯片没有在设定的温度范围内工作。

Claims (7)

1.一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，其特征是，包括：温度及电压输入选择模块，用于选择需要测量的温度及电压；模数转换模块，用于把测量的模拟信号转化为数字信号；控制逻辑模块，用于控制通道模式、处理数字测量结果；图形输出模块，用于把芯片上的测量值在计算机屏幕上形成曲线；

所述温度及电压输入选择模块包括两个多路选择器MUX1和MUX2、电压传感电路和温度传感电路，多路选择器MUX1的输入端分别连接FPGA的模拟电路供电电压VCCAUX、FPGA的数字电路供电电压VCCINT、FPGA内部可编程存储模块的供电电压SRAMVDD、FPGA内部各个带隙基准模块的输出电压，多路选择器MUX1的输出端连接电压传感电路的输入端，电压传感电路的输出端和温度传感电路的输出端连接多路选择器MUX2的输入端，多路选择器MUX1和MUX2的选择控制信号端分别连接所述控制逻辑模块的输出端；多路选择器MUX2的输出端经过模数转换模块连接到控制逻辑模块的输入端，控制逻辑模块还通过所述图形输出模块连接计算机。

2.根据权利要求1所述的一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，其特征是，所述模数转换模块包括：一个归一化处理电路，用于把输入的温度或电压压缩到模数转换模块的量程之内；一个参考电压电路，用于产生多个参考电压；一个乘2求余电路，用于把输入模拟信号和每个参考电压比较，并产生串行数字信号；一个串转并电路，用于将所述串行数字信号转化成并行数据输出；所述归一化处理电路的输出端依次连接乘2求余电路、串转并电路，归一化处理电路和乘2求余电路的参考电压端分别连接参考电压电路。

3.根据权利要求2所述的一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，其特征是，所述模数转换模块中，输入的模拟信号经过所述归一化处理电路，对信号进行归一化处理，随后信号进入到所述乘2求余电路，与三个参考电压进行比较，三个参考电压分别为0.5V，1V，1.5V，将输入信号转换成数字信号形式，再经过串并转换，最终产生16位并行数据输出。

4.根据权利要求1所述的一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，其特征是，所述控制逻辑模块包括：一个通道模式选择模块，用于控制是单通道模式还是多通道模式；一个通道选择模块，输出控制信号，用于选择具体的测量通道；一个20位累加器，用于累加每一次的测量结果，并输出数据；一个数据比较器，用于比较用户自定义的数值和实际测量值；一个状态寄存器，用于存放实际测量数据；一个报警输出模块，根据数据比较器的结果决定输出，若实际测量值大于用户自定义的最大值或者小于用户自定义的最小值，则报警输出模块输出高电平；以及一个控制寄存器，用于存放通道模式选择控制字、用户定义的温度和电压的最大最小值；所述控制寄存器的输出端分别连接通道模式选择模块和数据比较器，通道模式选择模块的输出端连接通道选择模块，通道选择模块的输出端分别连接数据比较器和状态寄存器，20位累加器的输入端连接模数转换模块的输出端，20位累加器的输出端分别连接数据比较器、状态寄存器，数据比较器的输出端连接报警输出模块。

5.根据权利要求4所述的一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，其特征是，用户在所述控制逻辑模块中的控制寄存器中写入控制字，其中两位控制字决定通道模式，选择需要测量的通道，控制逻辑模块把控制信号送至所述温度及电压输入选择模块，打开对应通道开关，模数转换模块随后输出一个16位数据为转换结果，控制逻辑模块中两位控制字决定控制逻辑模块对所述模数转换模块输出的16位数据选择(1)、不平均，分别送入状态寄存器及数据比较器；或者(2)、16个数据平均，模数转换模块进行16次测量，然后对这16个模数转换输出结果相加后取平均；或者(3)、32个数据平均，模数转换模块进行32次测量，然后对这32个模数转换输出结果相加后取平均；或者(4)、64个数据平均，模数转换模块进行64次测量，然后对这64个模数转换输出结果相加后取平均；经过平均处理之后的数据分别送入状态寄存器及数据比较器，送入状态寄存器的值就是一次测量的最终结果，计算机可以访问，数据比较器的另外一组输入值是控制寄存器中用户定义的温度及电压的最大值和最小值，比较的结果送入报警输出模块。

6.根据权利要求5所述的一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，其特征是，所述图形输出模块读取状态寄存器中温度及电压的测量结果，经过转化后在计算机屏幕上显示温度时间曲线和电压时间曲线。

7.根据权利要求1所述的一种能够实时测量FPGA内部温度及电压的结构，其特征是，所述图形输出模块包括专用JTAG线，所述专用JTAG线用于将FPGA芯片和计算机连接，在计算机屏幕上显示温度时间曲线和电压时间曲线。