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1、 高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件在數(shù)字I/O電路中的應(yīng)用 高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件在數(shù)字I/O電路中的應(yīng)用 類(lèi)別:EDA/PLD 作者:西安交通大學(xué) 楊 川 王小椿 來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用 高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件在數(shù)字I/O電路中的應(yīng)用
2、60; 摘 要: 介紹了在系統(tǒng)可編程(ISP)技術(shù)及ISP器件的特點(diǎn)。分析了變MT轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的工作原理。并由高密度ISP器件設(shè)計(jì)了位置控制系統(tǒng)單片I/O電路。運(yùn)行結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞 在系統(tǒng)可編程 高密度邏輯器件 變脈沖數(shù)脈沖周期 數(shù)字I/O電路 在系統(tǒng)可編程(ISP)技術(shù)及其器件是90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)與新器件。它使我們能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品中的器件、電路板乃至整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨
3、時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組。采用這種器件開(kāi)發(fā)的數(shù)字系統(tǒng),其升級(jí)與改進(jìn)是極其方便的。由于采用先進(jìn)的技術(shù),就保證了這種器件具備10000次以上的擦寫(xiě)能力。 高密度ISP器件像任何其它器件一樣可以在印刷電路板(PCB)上處理,因此編程這種器件不需要專(zhuān)門(mén)的編程器和復(fù)雜的流程。編程時(shí)僅需一根接口電纜,便可將命令和數(shù)據(jù)下載到ISP器件。采用傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)技術(shù),一旦系統(tǒng)按要求設(shè)計(jì)完成后,若要升級(jí),進(jìn)行硬件修改,排除硬件故障,是很困難的和不經(jīng)濟(jì)的。然而,采用ISP器件進(jìn)行設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)、制造完成后,如果需要重新組態(tài)、升級(jí),只需采用軟盤(pán)升級(jí)方法,在現(xiàn)場(chǎng)就可重新組態(tài)邏輯。在設(shè)計(jì)、
4、開(kāi)發(fā)過(guò)程中,設(shè)計(jì)的驗(yàn)證是必不可少的,它可以使設(shè)計(jì)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,并加以修正,確保最終的設(shè)計(jì)無(wú)誤。ISP器件在設(shè)計(jì)完成后可立即編程,進(jìn)行軟件仿真,以利于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。這種軟件仿真可以非常方便地檢查設(shè)計(jì)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn),而測(cè)試向量和輸入激勵(lì)都可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。 用ISP器件取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成電路、接口電路、專(zhuān)用集成電路已成為數(shù)字技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。在構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)時(shí),這種器件具有下述特點(diǎn):由于一片ISP器件的集成規(guī)模可達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)個(gè)PLD等效門(mén),可以代替數(shù)十個(gè)至數(shù)百個(gè)分立器件,因此能夠大大縮小硬件系統(tǒng)的體積、減輕重量、降低功耗;還可以提高系統(tǒng)的可靠性,
5、使之易于獲得高性能、具有很強(qiáng)的保密性;同時(shí)也可降低系統(tǒng)成本。 1 I/O電路組成 1.1 變MT轉(zhuǎn)速測(cè)量法分析 由于光電式測(cè)速系統(tǒng)具有低慣量、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn),因而常用于高精度交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。其工作原理是:與交流伺服電機(jī)同軸的光電編碼器隨電機(jī)的旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的兩相(A相、B相)相隔電脈沖角度的正交編碼脈沖,經(jīng)過(guò)四倍頻電路細(xì)分后產(chǎn)生四倍頻脈沖信號(hào)。脈沖計(jì)數(shù)電路對(duì)四倍頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),再由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)其采樣,并將該
6、采樣值與固定頻率的高頻時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較、計(jì)算后便可得到被測(cè)交流伺服電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。在測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)所用的變脈沖數(shù)脈沖周期測(cè)速法(變MT速法)是為了解決常用的M/T測(cè)速法所存在的檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、測(cè)速誤差較大而提出的。變M/T測(cè)速法在測(cè)速過(guò)程中,不僅被測(cè)的脈沖信號(hào)頻率fm隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同而變化,而且檢測(cè)時(shí)間T也是隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同而變化,檢測(cè)時(shí)間T將始終等于被測(cè)脈沖信號(hào)的Mp個(gè)脈沖周期之和,如圖1所示。 由圖可見(jiàn),通過(guò)測(cè)量時(shí)間T和在此時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)值Mp就可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。檢測(cè)時(shí)間可由計(jì)數(shù)器對(duì)頻率為fc的時(shí)鐘脈沖所得的計(jì)數(shù)值Mc獲得
7、,即T=Mcfc。設(shè)電機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出t個(gè)光電編碼脈沖,四倍頻后每轉(zhuǎn)可得到4t個(gè)測(cè)速脈沖,則對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為=2Mp(4t)。由此可以得到變M/T法的轉(zhuǎn)速測(cè)量值計(jì)算公式:n=60(2T)=60fcMp(4tMc) (rmin)。常用的變M/T法的測(cè)量電路如圖2所示。 其測(cè)量方法是:由R、C及門(mén)電路等分立器件構(gòu)成的模擬微分式或積分式四倍頻電路對(duì)光電編碼器的相和相正交編碼脈沖信號(hào)進(jìn)行四倍頻細(xì)分。由兩片通用計(jì)數(shù)器8253芯片、一片8255芯片、一片8259芯片及數(shù)個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成采樣和計(jì)數(shù)電路,其中一片8253芯片用于計(jì)
8、數(shù)測(cè)速脈沖,另一片用于計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖。采樣定時(shí)器發(fā)出的采樣信號(hào),送至D觸發(fā)器(1),使其輸出置“1”,當(dāng)四倍頻脈沖的上升沿到達(dá)D觸發(fā)器(2)時(shí)D觸發(fā)器(2)置“1”,經(jīng)R、C單穩(wěn)電路后,一路送至8259芯片的IRO端,作為中斷請(qǐng)求信號(hào);另一路送D觸發(fā)器(3)作為1、2計(jì)數(shù)器8253芯片的通道切換信號(hào);第三路使D觸發(fā)器(、2)清“0”。 1、2 8253芯片的A口、B口的門(mén)控極GATE分別由D觸發(fā)器(3)的Q及端控制。當(dāng)Q=1、=0時(shí),A口進(jìn)行計(jì)數(shù),B口保持前一檢測(cè)周期的計(jì)數(shù)值,以供CPU讀取。當(dāng)下一個(gè)采樣信號(hào)到來(lái)時(shí)將使、=,則情況正好與前相反,B口計(jì)
9、數(shù),A口保持。CPU通過(guò)檢測(cè)8255芯片的PB1口,便可判斷應(yīng)該讀A口還是B口。 上述分立器件電路存在著很多不足。() 常用的模擬微分型或積分型四倍頻電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩而且工作穩(wěn)定性較差。一者,電路中電容的取值既要保證相鄰的倍頻脈沖不重疊,又要防止由于電容值過(guò)大導(dǎo)致后級(jí)門(mén)電路因輸入電流過(guò)大而損壞;二者,由于電阻、電容的精度很低,由此構(gòu)成的四倍頻電路的脈沖周期很難保持一致,而變M/T法又要求在同一速度下四倍頻后的脈沖周期保持嚴(yán)格一致;再者,由于電阻、電容的值隨運(yùn)行時(shí)間、溫度的變化會(huì)發(fā)生變化,同樣會(huì)對(duì)脈沖
10、周期產(chǎn)生影響。()由分立器件構(gòu)成的變M/T法測(cè)量電路存在著電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn),除電阻、電容外,還需要十幾片各種門(mén)電路、觸發(fā)器、外圍芯片等。由于器件較多,易受外界噪聲的干擾,抗干擾能力較差。()上述測(cè)量電路在每次中斷響應(yīng)時(shí)CPU都要發(fā)出六個(gè)讀信號(hào),首先讀電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)及通道切換信號(hào),CPU對(duì)讀入的通道切換信號(hào)進(jìn)行判斷后再讀1 及2 計(jì)數(shù)器A口或B口的高8位及低8位計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采樣頻率很低。 1.2 脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路及位置給定信號(hào)計(jì)數(shù)電路 PWM電路包
11、括PWM信號(hào)生成器及驅(qū)動(dòng)電路,常采用PWM集成電路或分立器件組成。PWM信號(hào)生成的方法較多,組成的電路也各不相同。但基本原理都是通過(guò)控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間比(即調(diào)節(jié)脈沖寬度)來(lái)控制交流電機(jī)定子電流的幅值與頻率,從而達(dá)到控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 常用的位置伺服控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)速的控制都分立于位置閉環(huán)控制。不僅國(guó)內(nèi),即使國(guó)外進(jìn)口的交流伺服系統(tǒng),也大多只提供模擬轉(zhuǎn)速指令輸入端口。因此,在設(shè)計(jì)位置控制系統(tǒng)時(shí),即使采用進(jìn)口的交流伺服系統(tǒng),也需要設(shè)計(jì)位置控制板,組成硬件位置閉環(huán)控制,以便處理上位工控機(jī)發(fā)出的位置給定信號(hào)(數(shù)字量),即在位置控制板中將位置
12、給定信號(hào)與反饋信號(hào)比較、控制后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬轉(zhuǎn)速給定量(模擬電壓),輸出至交流伺服系統(tǒng),進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。也可以組成軟件位置閉環(huán)控制,即由上位機(jī)對(duì)位置信號(hào)采樣后進(jìn)行計(jì)算、控制,并輸出數(shù)字量的轉(zhuǎn)速給定信號(hào),由位控板中的D/A器件轉(zhuǎn)換為模擬轉(zhuǎn)速給定量(模擬電壓),以控制轉(zhuǎn)速。 這些電路同樣存在很多不足。一者,整個(gè)位置控制系統(tǒng)較龐大,使用的元器件也很多;二者,轉(zhuǎn)速的給定都需經(jīng)過(guò)數(shù)字量模擬量數(shù)字量(在交流電機(jī)的數(shù)字控制中需要進(jìn)行這一步轉(zhuǎn)換)的轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換精度難以保證。 2 全數(shù)字I/O電路
13、 為克服上述電路的不足,我們利用Lattice公司的高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件ISPLSI103280設(shè)計(jì)了單片全數(shù)字I/O電路。該器件的集成規(guī)模為6000PLD等效門(mén),一片高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件完全可以容納整個(gè)全數(shù)字I/O電路,而且同一個(gè)芯片內(nèi)的門(mén)電路、觸發(fā)器、三態(tài)門(mén)等的參數(shù)特性完全一致。另外,由于所有電路做在一個(gè)片子上,抗干擾性能比分立器件構(gòu)成的電路也有極大的提高。 由ISP器件構(gòu)成的數(shù)字I/O電路包括:變M/T法轉(zhuǎn)速測(cè)量電路、速度給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、PWM形成電路三部分。
14、 2.1 變M/T法轉(zhuǎn)速測(cè)量電路 該電路包括采樣信號(hào)構(gòu)成電路、數(shù)字四倍頻電路、12位測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器A、16位高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器B、數(shù)據(jù)鎖存器(29位)、輸出三態(tài)門(mén)(29位)。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。因?yàn)镮SP器件的I/O單元作為輸出時(shí)具有三態(tài)緩沖特性,故利用其中的29個(gè)I/O單元構(gòu)成輸出三態(tài)門(mén),連到DSP的32位數(shù)據(jù)總線上。該輸出三態(tài)門(mén)的門(mén)控信號(hào)由門(mén)控信號(hào)產(chǎn)生電路將DSP的READ信號(hào)、IOSTRB信號(hào)及片選信號(hào)組合而成,該信號(hào)接到29個(gè)輸出三態(tài)門(mén)的輸出使能端上,供DSP讀取。中斷響應(yīng)時(shí)只需要一次讀就可將電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)、四倍頻測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)值
15、、高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值讀入DSP中。數(shù)字四倍頻電路將光電編碼器發(fā)出的正交編碼脈沖(A相、B相)細(xì)分后產(chǎn)生四倍頻脈沖供計(jì)數(shù)、采樣使用。同時(shí),正交編碼脈沖還將產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)。采樣信號(hào)構(gòu)成電路將DSP發(fā)出的速度采樣脈沖及數(shù)字四倍頻電路輸出的脈沖綜合后,按數(shù)據(jù)鎖存、中斷申請(qǐng)、計(jì)數(shù)器清零的順序發(fā)出脈沖信號(hào),控制采樣邏輯的順序。測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器、高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器是根據(jù)電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)及最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的12位及16位不可逆計(jì)數(shù)器。 2.2 轉(zhuǎn)速給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 該電路包括16位數(shù)據(jù)鎖存器、輸出三態(tài)門(mén)(16位)、
16、中斷信號(hào)產(chǎn)生電路。其作用是將上位機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)速給定數(shù)字信號(hào)鎖存在數(shù)據(jù)鎖存器中,并向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)DSP響應(yīng)中斷時(shí),通過(guò)門(mén)控信號(hào)產(chǎn)生電路發(fā)出門(mén)控信號(hào),控制16個(gè)輸出三態(tài)門(mén)的輸出使能端,將數(shù)據(jù)鎖存器中轉(zhuǎn)速給定數(shù)字信號(hào)讀到DSP中,作為速度環(huán)的給定信號(hào)。 2.3 PWM信號(hào)產(chǎn)生電路 該電路包括6位PWM數(shù)據(jù)鎖存器、PWM時(shí)序電路、鎖存延時(shí)器。DSP定時(shí)發(fā)出寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào),其數(shù)據(jù)總線中的一位與地址譯碼器譯碼信號(hào)在鎖存延時(shí)器中組合,延時(shí)器的輸出鎖存信號(hào)確保數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被正確地鎖存至PWM數(shù)據(jù)鎖存器中。其輸出經(jīng)過(guò)PWM時(shí)序電路的調(diào)節(jié)與時(shí)序校正,產(chǎn)生PWM信號(hào)。PWM時(shí)序電路同時(shí)保證PWM信號(hào)以先關(guān)斷、后開(kāi)通
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