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控制系統(tǒng)

ARM7與FPGA在工業(yè)控制中的結(jié)合應(yīng)用

星之球激光 來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011-11-30 我要評論(0 )   

工業(yè)控制 中往往需要完成多通道故障檢測及多通道命令控制(這種多任務(wù)設(shè)置非常普遍),單獨的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...

 工業(yè)控制中往往需要完成多通道故障檢測及多通道命令控制(這種多任務(wù)設(shè)置非常普遍),單獨的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)合來擴展檢控通道是一個非常好的選擇。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)的一種實現(xiàn)方法。

  各部分功能簡介
  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則通過串口通信;FPGA與目標設(shè)備通過命令控制總線和故障檢測總線相連。


圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

  1 故障檢測和命令控制部分
  故障檢測:檢測通道的故障(正常)信號以高(低)電平方式指示,其一旦有故障產(chǎn)生就會保持高電平不變直到故障排除。針對這種特征,在ARM控制器端采用定時中斷循環(huán)查詢方式來判斷故障通道的狀態(tài)。定時中斷程序通過對ARM 地址總線在FPGA中進行譯碼而順序鎖定被檢測通道的電平值,然后再經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳回ARM進行判斷,最后將判斷結(jié)果送至遠程終端。采用主機查詢方式而不采用故障中斷方式出于兩個原因:一方面是通常控制芯片外部中斷源有限(多數(shù)為4個外部中斷源),對于多目標中斷信號檢測顯然是困難的;另一方面,由于檢測通道或設(shè)備受到短時干擾而產(chǎn)生電平隨機反轉(zhuǎn),造成故障中斷觸發(fā),而中斷觸發(fā)后又無法在通道電平恢復(fù)正常時撤銷故障信號,故而形成虛假報警。
  命令控制:ARM芯片先判斷主控端發(fā)來的控制命令,然后通過地址總線和數(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芯片與遠程檢測控制終端通信  

  由于只存在命令和故障狀態(tài)信號的收發(fā),所以利用ARM的串口實現(xiàn)與遠程PC的通信,通信標準選為RS232標準。不過,在ARM芯片上要先將TTL電平通過MAX232芯片轉(zhuǎn)換為RS232電平標準,對于距離超過15m的全雙工通信,在發(fā)送接收兩端還要各加一對RS232轉(zhuǎn)RS422電平的轉(zhuǎn)換模塊,以增加通信距離。
  3 FPGA內(nèi)部功能模塊說明
  FPGA內(nèi)部檢測及控制電路結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

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一同進入譯碼器decode1進行地址譯碼后產(chǎn)生8路輸出(FPGA內(nèi)部可設(shè)置一個最大輸出為256路的譯碼模塊,所以在實際應(yīng)用中可擴展為更多通道),低4路用于命令發(fā)送通道,高4路用于故障檢測通道,讀寫使能信號控制數(shù)據(jù)總線。
  ARM芯片接收到發(fā)送信號編碼命令時,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)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芯片在定時中斷產(chǎn)生進入服務(wù)程序后對所有檢測通道輪流查詢,查詢到有通道故障時,故障信號結(jié)合選中通路信號經(jīng)與非運算送往數(shù)據(jù)端口被讀取。
  FPGA程序設(shè)計注意問題
  1延時的配置
  通過地址總線和數(shù)據(jù)總線進行命令傳輸和故障檢測時,F(xiàn)PGA是作為ARM芯片的普通外設(shè)來使用的。而ARM芯片對外設(shè)訪問的速度要遠低于片內(nèi)存儲器,所以要在ARM中設(shè)置訪問的正確等待周期。ARM中提供的延時周期為0~7個,通過調(diào)試即可找到外設(shè)合適的等待周期,此系統(tǒng)的等待周期根據(jù)實際測試設(shè)置為5個,具體的配置方法見ARM程序說明。
  2 讀寫使能信號的連接
  從圖2中可以看出,寫使能信號NWE及讀使能信號NRD應(yīng)作為數(shù)據(jù)線(DATA0~5)的三態(tài)控制信號連接,即使在ARM芯片無其他外設(shè)時也不能缺省。因為ARM的上電加載程序時間要長于同一系統(tǒng)上FPGA的程序配置時間,而FPGA的檢測及控制通道與ARM芯片的數(shù)據(jù)總線相連,F(xiàn)PGA加載完成后數(shù)據(jù)總線會存有相應(yīng)通道的邏輯電平值(不為三態(tài)),這就會導(dǎo)致ARM芯片在對片內(nèi)Flash芯片燒寫程序或上電加載程序時與FPGA沖突(數(shù)據(jù)被邏輯鎖定),造成無法正確定位操作對象而使讀寫失敗。
ARM配置及應(yīng)用程序說明

  1 處理器的資源分配

  ● 存儲器
  AT91FR40162內(nèi)嵌一個256KB的SRAM,1024K個16位字組成的Flash存儲器。SRAM通過內(nèi)部32位數(shù)據(jù)總線與ARM核相連,單周期訪問,F(xiàn)lash存儲器則通過外部總線訪問。
  ● 系統(tǒng)外圍
  EBI:外部總線控制接口,EBI可尋址64MB的空間,通過8個片選線(NCS0~NCS3獨立)和24位地址線訪問外設(shè),地址線高4位與片選線(NCS4~7)復(fù)用,數(shù)據(jù)總線可配置成8/16位兩種模式與外設(shè)接口。

  PIO:并口控制器,PIO控制32根I/O線,多數(shù)為復(fù)用引腳,可通過編程選擇為通用或?qū)S谩?/p>

  AIC:先進中斷控制器,實現(xiàn)片內(nèi)外圍中斷及4個外部中斷源中斷的管理,其外部中斷引腳與通用I/O復(fù)用。
  ● 用戶外圍
  USART0~1:串口收發(fā)控制器,支持8個數(shù)據(jù)位的發(fā)送,可以進行異步/同步傳輸選擇,其片外引腳與通用I/O復(fù)用。
  TC:定時/計數(shù)器,可以產(chǎn)生定時中斷和計數(shù)功能,其片外引腳與通用I/O復(fù)用。
  2 存儲器地址重映射后的空間分配

  在CPU上電后,都會從地址0開始第一條指令代碼的執(zhí)行,而上電復(fù)位后0地址必須映射到NCS0片選所接的器件上,這里必須將NCS0連接到片內(nèi)Flash上以加載初始化程序和應(yīng)用程序。由于中斷和異常的入口地址是0~20H固定不變,它們的產(chǎn)生都是跳轉(zhuǎn)到0~20H之間相應(yīng)的地址取程序執(zhí)行,為了加快中斷響應(yīng),必須將0~20H地址映射到片內(nèi)RAM區(qū),所以在初始化的重映射命令執(zhí)行(EB1_RCR的RCB位置1)后,內(nèi)部RAM就映射到地址0,所有的中斷入口響應(yīng)和堆棧操作都被映射到在RAM區(qū)進行。

  由于重映射主要是用于Flash和片內(nèi)RAM的地址空間交換,所以片內(nèi)外圍接口(EBI、USART、TC)對應(yīng)的存儲器編程地址范圍在映射前后不發(fā)生改變,而訪問外設(shè)地址為重映射后所分配。重映射后地址分配如表1所示。
  3 應(yīng)用接口的存儲器配置
  EBI存儲器:在8個EBI片選存儲器(EBI_CSR0~EBI_CSR7)中設(shè)置外設(shè)訪問參數(shù)。其中,32位存儲器中包括數(shù)據(jù)總線寬度8(16)設(shè)置,等待狀態(tài)數(shù)目1~7個周期設(shè)置,等待使能(不是使能)設(shè)置,片選使能(不使能)設(shè)置。這里將FPGA作為外設(shè),使能NCS3(也可根據(jù)實際選擇其他空閑片選線),選擇總線寬度16,使能等待周期并設(shè)周期為5(根據(jù)調(diào)試選擇)。因默認NCS0為加載Flash片選線,而Flash為16位信號、7個等待周期,故需在EBI_CSR0中選擇16位總線寬度、7個等待周期并使能NCS0。
  AIC存儲器:AIC存儲器管理所有內(nèi)外部中斷,對此存儲器的正確初始化賦值才會打開相應(yīng)中斷。設(shè)定AIC工作參數(shù):應(yīng)用串口通信模式為異步模式,串口發(fā)送的數(shù)據(jù)位字符長度為8位,通信的波特率9600B/s,串口中斷優(yōu)先級為6(中斷優(yōu)先級由低到高0~7),接收發(fā)送通道使能。#p#分頁標題#e#
  TC存儲器:定時中斷存儲器需要設(shè)定定時長度為1s(每1s產(chǎn)生中斷進行故障查詢),定時通道使能及軟件觸發(fā)模式,定時中斷優(yōu)先級設(shè)為1。
  4 應(yīng)用程序說明
?、?主程序
  #define AT91C_BASE_EBI ((AT91PS_EBI) 0xFFE00000) //EBI基地址定義
  int main()
  {AT91F_EBI_OpenChipSelect (
AT91C_BASE_EBI, //地址指針
0x3, //片NCS3使能
0x30000000+0x3f39); //片選存儲器初始化
Usart_init();//初始化串口
    timer_init();//初始化定時器
while(1){} //循環(huán)等待
  }
  ARM處理器在完成各寄存器初始化后進入應(yīng)用主程序,在主程序中首先調(diào)用EBI接口使能函數(shù)來設(shè)置參數(shù):在程序中設(shè)置存儲器基地址值(0xFFE00000),片選設(shè)置0x3(NCS3使能),NCS3的存儲器初始化;調(diào)用USART控制器函數(shù)初始化串口:打開串口,串口收發(fā)通道初始化,設(shè)定串口通信速率;調(diào)用定時中斷函數(shù):打開定時中斷,設(shè)置定時中斷時間,設(shè)定觸發(fā)方式為軟件觸發(fā);最后進入等待循環(huán)。
 ?、?串口命令接收中斷服務(wù)程序
  #define USART0_INTERRUPT_LEVEL 6//設(shè)置中斷優(yōu)先級為6
  #define AT91C_US_USMODE_NORMAL AT91C_US_CHMODE_NORMAL//*設(shè)置通信模式(NORMAL定義為異步模式)*//
  AT91PS_USART COM0=AT91C_BASE_US0;//設(shè)置COM0為收發(fā)口
  char message[4];
  // 控制端串口中斷通信程序 //
  //*----------------------------------------------------------------------------*//
  void Usart0_c_irq_handler(AT91PS_USART USART_pt)//串口中斷處理函數(shù)
  { volatile unsigned int *conp;unsigned int status;
int time;
volatile unsigned int i;
status = USART_pt->US_CSR & USART_pt->US_IMR;//給狀態(tài)寄存器賦初值
if ( status & AT91C_US_RXRDY)//接收通道寄存器判斷是否有數(shù)據(jù)
{
AT91F_US_DisableIt(USART_pt,AT91C_US_RXRDY);//關(guān)閉接收通道準備好中斷
AT91F_US_EnableIt(USART_pt,AT91C_US_ENDRX);//打開接收結(jié)束中斷
AT91F_US_ReceiveFrame(USART_pt,(char*)(message),4);//調(diào)用接收數(shù)據(jù)數(shù)接收數(shù)據(jù)
}
if ( status & AT91C_US_ENDRX){
AT91F_US_DisableIt(USART_pt,AT91C_US_ENDRX); // 關(guān)閉接收器傳送結(jié)束中斷
{ if((message[0]^0xff)==message[1])//判斷接收代碼
{switch (message[0])
{case 0x31 : {conp=(volatile unsigned int*)(0x1+0x30000000);//OPE1使能
*conp=0x2;}; break;//0x31代碼送往OPE1端口
case 0x30 : {conp=(volatile unsigned int*)(0x2+0x30000000);//OPE2使能
*conp=0x1;}; break; // 0x30代碼送往OPE2端口
case 0x11 : {conp=(volatile unsigned int*)(0x3+0x30000000);//OPE3使能
*conp=0x2;};break;// 0x11代碼則往OPE3端口
case 0x10 : {conp=(volatile unsigned int*)(0x4+0x30000000);//OPE4使能
*conp=0x1;};break; //0x10代碼送往OPE4端口
default:break;}
       }
       }
  以上程序為串口中斷服務(wù)程序,各函數(shù)語句說明參見注釋。中斷級別設(shè)置為6(高于定時中斷),這樣使命令發(fā)送優(yōu)先于故障查詢(控制命令隨機出現(xiàn)而故障查詢總是循環(huán)進行);接收緩沖區(qū)message[4]數(shù)組類型必須設(shè)為動態(tài)分配,靜態(tài)數(shù)據(jù)分配會使處理器開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)到Flash芯片中,從而引發(fā)在一個中斷處理程序中由于存取時間過長而導(dǎo)致串口收發(fā)超時的錯誤。因為篇幅有限,其他程序不再一一敘述。
  在ARM應(yīng)用程序的編寫中,應(yīng)該盡量少的在主函數(shù)內(nèi)使用循環(huán)操作,主函數(shù)主要完成各接口控制器應(yīng)用初始化,因為主函數(shù)不間斷循環(huán)操作不但會增加功耗,而且長時間頻繁切換于中斷服務(wù)和主循環(huán)之間會造成程序運行的不穩(wěn)定,所以能用定時中斷完成的循環(huán)操作盡量用中斷完成。
 
  結(jié)語

  ARM芯片控制功能結(jié)合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性在工程上體現(xiàn)出的其獨特的優(yōu)勢,已發(fā)展為一種流行的硬件架構(gòu)模式,隨著芯片功能的不斷強大,這種優(yōu)勢將使其用途更廣,對任務(wù)處理變得更加靈活高效。

 

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