ARM7與FPGA在工業(yè)控制中的應(yīng)用

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　　工業(yè)控制中往往需要完成多通道故障檢測(cè)及多通道命令控制(這種多任務(wù)設(shè)置非常普遍)，單獨(dú)的CPU芯片由于其外部控制接口數(shù)量有限而難以直接完成多路檢控任務(wù)，故利用ARM芯片與FPGA相結(jié)合來(lái)擴(kuò)展檢控通道是一個(gè)非常好的選擇。這里介紹用Atmel公司ARM7處理器(AT91FR40162)和ALTERA公司的低成本FPGA芯片(cyclone2)結(jié)合使用完成多通道檢控任務(wù)的一種實(shí)現(xiàn)方法。

　　各部分功能簡(jiǎn)介

　　圖1為此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接框圖。如圖所示，ARM芯片與FPGA芯片之間通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線及讀寫控制線相連，而與終端PC則通過(guò)串口通信;FPGA與目標(biāo)設(shè)備通過(guò)命令控制總線和故障檢測(cè)總線相連。

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　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1 故障檢測(cè)和命令控制部分

　　故障檢測(cè)：檢測(cè)通道的故障(正常)信號(hào)以高(低)電平方式指示，其一旦有故障產(chǎn)生就會(huì)保持高電平不變直到故障排除。針對(duì)這種特征，在ARM控制器端采用定時(shí)中斷循環(huán)查詢方式來(lái)判斷故障通道的狀態(tài)。定時(shí)中斷程序通過(guò)對(duì)ARM 地址總線在FPGA中進(jìn)行譯碼而順序鎖定被檢測(cè)通道的電平值，然后再經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳回ARM進(jìn)行判斷，最后將判斷結(jié)果送至遠(yuǎn)程終端。采用主機(jī)查詢方式而不采用故障中斷方式出于兩個(gè)原因：一方面是通常控制芯片外部中斷源有限(多數(shù)為4個(gè)外部中斷源)，對(duì)于多目標(biāo)中斷信號(hào)檢測(cè)顯然是困難的;另一方面，由于檢測(cè)通道或設(shè)備受到短時(shí)干擾而產(chǎn)生電平隨機(jī)反轉(zhuǎn)，造成故障中斷觸發(fā)，而中斷觸發(fā)后又無(wú)法在通道電平恢復(fù)正常時(shí)撤銷故障信號(hào)，故而形成虛假報(bào)警。

　　命令控制：ARM芯片先判斷主控端發(fā)來(lái)的控制命令，然后通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線將命令狀態(tài)發(fā)送至經(jīng)FPGA地址譯碼鎖定的控制通道上。

　　2 ARM芯片與遠(yuǎn)程檢測(cè)控制終端通信

　　由于只存在命令和故障狀態(tài)信號(hào)的收發(fā)，所以利用ARM的串口實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程PC的通信，通信標(biāo)準(zhǔn)選為RS232標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，在ARM芯片上要先將TTL電平通過(guò)MAX232芯片轉(zhuǎn)換為RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于距離超過(guò)15m的全雙工通信，在發(fā)送接收兩端還要各加一對(duì)RS232轉(zhuǎn)RS422電平的轉(zhuǎn)換模塊，以增加通信距離。

　　3 FPGA內(nèi)部功能模塊說(shuō)明

　　FPGA內(nèi)部檢測(cè)及控制電路結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

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　　圖2 FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

　　ARM芯片的ADDR2～0位地址線和片選使能信號(hào)一同進(jìn)入譯碼器decode1進(jìn)行地址譯碼后產(chǎn)生8路輸出(FPGA內(nèi)部可設(shè)置一個(gè)最大輸出為256路的譯碼模塊，所以在實(shí)際應(yīng)用中可擴(kuò)展為更多通道)，低4路用于命令發(fā)送通道，高4路用于故障檢測(cè)通道，讀寫使能信號(hào)控制數(shù)據(jù)總線。

　　ARM芯片接收到發(fā)送信號(hào)編碼命令時(shí)，立即在串口接收中斷服務(wù)子程序中并送相應(yīng)地址(通道編號(hào))和數(shù)據(jù)(命令狀態(tài))到FPGA中。譯碼器有效輸出作為相應(yīng)通道D觸發(fā)器的鎖存時(shí)鐘，而數(shù)據(jù)狀態(tài)則被觸發(fā)器鎖定后作為所選通道的輸出完成相應(yīng)控制。

　　ARM芯片在定時(shí)中斷產(chǎn)生進(jìn)入服務(wù)程序后對(duì)所有檢測(cè)通道輪流查詢，查詢到有通道故障時(shí)，故障信號(hào)結(jié)合選中通路信號(hào)經(jīng)與非運(yùn)算送往數(shù)據(jù)端口被讀取。