高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件在數(shù)字IO電路中的應(yīng)用

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    類別：EDA/PLD      作者：西安交通大學(xué) 楊    川 王小椿    來源：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。分析了變MT轉(zhuǎn)速測量電路的工作原理。并由高密度ISP器件設(shè)計了位置控制系統(tǒng)單片I/O電路。運行結(jié)果表明所設(shè)計的電路完全達(dá)到設(shè)計要求。    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)展起來的一種新技術(shù)與新器件。它使我們能在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中對產(chǎn)品中的器件、電路板乃至整個電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨

3、時進行組態(tài)或重組。采用這種器件開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)，其升級與改進是極其方便的。由于采用先進的技術(shù)，就保證了這種器件具備10000次以上的擦寫能力。    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門的編程器和復(fù)雜的流程。編程時僅需一根接口電纜，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)計技術(shù)，一旦系統(tǒng)按要求設(shè)計完成后，若要升級，進行硬件修改，排除硬件故障，是很困難的和不經(jīng)濟的。然而，采用ISP器件進行設(shè)計，在設(shè)計、制造完成后，如果需要重新組態(tài)、升級，只需采用軟盤升級方法，在現(xiàn)場就可重新組態(tài)邏輯。在設(shè)計、

4、開發(fā)過程中，設(shè)計的驗證是必不可少的，它可以使設(shè)計者及時發(fā)現(xiàn)問題，并加以修正，確保最終的設(shè)計無誤。ISP器件在設(shè)計完成后可立即編程，進行軟件仿真，以利于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題。這種軟件仿真可以非常方便地檢查設(shè)計的內(nèi)部節(jié)點，而測試向量和輸入激勵都可通過軟件編程實現(xiàn)。    用ISP器件取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成電路、接口電路、專用集成電路已成為數(shù)字技術(shù)發(fā)展的趨勢。在構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)時，這種器件具有下述特點：由于一片ISP器件的集成規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬個PLD等效門，可以代替數(shù)十個至數(shù)百個分立器件，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、具有很強的保密性；同時也可降低系統(tǒng)成本。    1 I/O電路組成    1.1 變MT轉(zhuǎn)速測量法分析     由于光電式測速系統(tǒng)具有低慣量、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點，因而常用于高精度交流伺服電機轉(zhuǎn)速的測量。其工作原理是：與交流伺服電機同軸的光電編碼器隨電機的旋轉(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)過四倍頻電路細(xì)分后產(chǎn)生四倍頻脈沖信號。脈沖計數(shù)電路對四倍頻脈沖信號進行計數(shù)，再由數(shù)字信號處理器（DSP）對其采樣，并將該

6、采樣值與固定頻率的高頻時鐘脈沖的計數(shù)值進行比較、計算后便可得到被測交流伺服電機的瞬時轉(zhuǎn)速。在測量轉(zhuǎn)速時所用的變脈沖數(shù)脈沖周期測速法（變MT速法）是為了解決常用的M/T測速法所存在的檢測時間過長、測速誤差較大而提出的。變M/T測速法在測速過程中，不僅被測的脈沖信號頻率fm隨電機的轉(zhuǎn)速不同而變化，而且檢測時間T也是隨電機的轉(zhuǎn)速不同而變化，檢測時間T將始終等于被測脈沖信號的Mp個脈沖周期之和，如圖1所示。    由圖可見，通過測量時間T和在此時間內(nèi)計數(shù)器對被測脈沖信號的計數(shù)值Mp就可以確定電機的轉(zhuǎn)速。檢測時間可由計數(shù)器對頻率為fc的時鐘脈沖所得的計數(shù)值Mc獲得

7、，即T=Mcfc。設(shè)電機每轉(zhuǎn)發(fā)出t個光電編碼脈沖，四倍頻后每轉(zhuǎn)可得到4t個測速脈沖，則對應(yīng)的轉(zhuǎn)角為=2Mp（4t）。由此可以得到變M/T法的轉(zhuǎn)速測量值計算公式：n=60（2T）=60fcMp（4tMc）    （rmin）。常用的變M/T法的測量電路如圖2所示。    其測量方法是：由R、C及門電路等分立器件構(gòu)成的模擬微分式或積分式四倍頻電路對光電編碼器的相和相正交編碼脈沖信號進行四倍頻細(xì)分。由兩片通用計數(shù)器8253芯片、一片8255芯片、一片8259芯片及數(shù)個D觸發(fā)器構(gòu)成采樣和計數(shù)電路，其中一片8253芯片用于計

8、數(shù)測速脈沖，另一片用于計數(shù)時鐘脈沖。采樣定時器發(fā)出的采樣信號，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，作為中斷請求信號；另一路送D觸發(fā)器（3）作為1、2計數(shù)器8253芯片的通道切換信號；第三路使D觸發(fā)器（、2）清“0”。    1、2 8253芯片的A口、B口的門控極GATE分別由D觸發(fā)器（3）的Q及端控制。當(dāng)Q=1、=0時，A口進行計數(shù)，B口保持前一檢測周期的計數(shù)值，以供CPU讀取。當(dāng)下一個采樣信號到來時將使、=，則情況正好與前相反，B口計

9、數(shù)，A口保持。CPU通過檢測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現(xiàn)起來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大導(dǎo)致后級門電路因輸入電流過大而損壞；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、電容的值隨運行時間、溫度的變化會發(fā)生變化，同樣會對脈沖

10、周期產(chǎn)生影響。()由分立器件構(gòu)成的變M/T法測量電路存在著電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，除電阻、電容外，還需要十幾片各種門電路、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。（）上述測量電路在每次中斷響應(yīng)時CPU都要發(fā)出六個讀信號，首先讀電機轉(zhuǎn)向信號及通道切換信號，CPU對讀入的通道切換信號進行判斷后再讀1    及2 計數(shù)器A口或B口的高8位及低8位計數(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計數(shù)電路    PWM電路包

11、括PWM信號生成器及驅(qū)動電路，常采用PWM集成電路或分立器件組成。PWM信號生成的方法較多，組成的電路也各不相同。但基本原理都是通過控制逆變器開關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷時間比（即調(diào)節(jié)脈沖寬度）來控制交流電機定子電流的幅值與頻率，從而達(dá)到控制交流電機轉(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。不僅國內(nèi)，即使國外進口的交流伺服系統(tǒng)，也大多只提供模擬轉(zhuǎn)速指令輸入端口。因此，在設(shè)計位置控制系統(tǒng)時，即使采用進口的交流伺服系統(tǒng)，也需要設(shè)計位置控制板，組成硬件位置閉環(huán)控制，以便處理上位工控機發(fā)出的位置給定信號（數(shù)字量），即在位置控制板中將位置

12、給定信號與反饋信號比較、控制后通過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，即由上位機對位置信號采樣后進行計算、控制，并輸出數(shù)字量的轉(zhuǎn)速給定信號，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)過數(shù)字量模擬量數(shù)字量（在交流電機的數(shù)字控制中需要進行這一步轉(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，一片高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件完全可以容納整個全數(shù)字I/O電路，而且同一個芯片內(nèi)的門電路、觸發(fā)器、三態(tài)門等的參數(shù)特性完全一致。另外，由于所有電路做在一個片子上，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)速測量電路、速度給定數(shù)據(jù)存儲電路、PWM形成電路三部分。   

14、 2.1 變M/T法轉(zhuǎn)速測量電路     該電路包括采樣信號構(gòu)成電路、數(shù)字四倍頻電路、12位測速脈沖計數(shù)器A、16位高頻時鐘脈沖計數(shù)器B、數(shù)據(jù)鎖存器（29位）、輸出三態(tài)門（29位）。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。因為ISP器件的I/O單元作為輸出時具有三態(tài)緩沖特性，故利用其中的29個I/O單元構(gòu)成輸出三態(tài)門，連到DSP的32位數(shù)據(jù)總線上。該輸出三態(tài)門的門控信號由門控信號產(chǎn)生電路將DSP的READ信號、IOSTRB信號及片選信號組合而成，該信號接到29個輸出三態(tài)門的輸出使能端上，供DSP讀取。中斷響應(yīng)時只需要一次讀就可將電機轉(zhuǎn)向信號、四倍頻測速脈沖計數(shù)值

15、、高頻時鐘脈沖計數(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)生四倍頻脈沖供計數(shù)、采樣使用。同時，正交編碼脈沖還將產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)動方向信號。采樣信號構(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、計數(shù)器清零的順序發(fā)出脈沖信號，控制采樣邏輯的順序。測速脈沖計數(shù)器、高頻時鐘脈沖計數(shù)器是根據(jù)電機每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)及最高轉(zhuǎn)速設(shè)計的12位及16位不可逆計數(shù)器。    2.2 轉(zhuǎn)速給定數(shù)據(jù)存儲電路    該電路包括16位數(shù)據(jù)鎖存器、輸出三態(tài)門（16位）、

16、中斷信號產(chǎn)生電路。其作用是將上位機發(fā)出的轉(zhuǎn)速給定數(shù)字信號鎖存在數(shù)據(jù)鎖存器中，并向DSP發(fā)出中斷請求信號。當(dāng)DSP響應(yīng)中斷時，通過門控信號產(chǎn)生電路發(fā)出門控信號，控制16個輸出三態(tài)門的輸出使能端，將數(shù)據(jù)鎖存器中轉(zhuǎn)速給定數(shù)字信號讀到DSP中，作為速度環(huán)的給定信號。    2.3 PWM信號產(chǎn)生電路    該電路包括6位PWM數(shù)據(jù)鎖存器、PWM時序電路、鎖存延時器。DSP定時發(fā)出寫數(shù)據(jù)信號，其數(shù)據(jù)總線中的一位與地址譯碼器譯碼信號在鎖存延時器中組合，延時器的輸出鎖存信號確保數(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PWM時序電路的調(diào)節(jié)與時序校正，產(chǎn)生PWM信號。PWM時序電路同時保證PWM信號以先關(guān)斷、后開通