AT91FR40162與cyclone2在工業(yè)控制的結(jié)合

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），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(xiě)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。

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(xiě)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。
　　FPGA程序設(shè)計(jì)注意問(wèn)題
　　1延時(shí)的配置
　　通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行命令傳輸和故障檢測(cè)時(shí)，F(xiàn)PGA是作為ARM芯片的普通外設(shè)來(lái)使用的。而ARM芯片對(duì)外設(shè)訪問(wèn)的速度要遠(yuǎn)低于片內(nèi)存儲(chǔ)器，所以要在ARM中設(shè)置訪問(wèn)的正確等待周期。ARM中提供的延時(shí)周期為0～7個(gè)，通過(guò)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(shí)際測(cè)試設(shè)置為5個(gè)，具體的配置方法見(jiàn)ARM程序說(shuō)明。
　　2 讀寫(xiě)使能信號(hào)的連接
　　從圖2中可以看出，寫(xiě)使能信號(hào)NWE及讀使能信號(hào)NRD應(yīng)作為數(shù)據(jù)線（DATA0～5）的三態(tài)控制信號(hào)連接，即使在ARM芯片無(wú)其他外設(shè)時(shí)也不能缺省。因?yàn)锳RM的上電加載程序時(shí)間要長(zhǎng)于同一系統(tǒng)上FPGA的程序配置時(shí)間，而FPGA的檢測(cè)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(huì)存有相應(yīng)通道的邏輯電平值（不為三態(tài)），這就會(huì)導(dǎo)致ARM芯片在對(duì)片內(nèi)Flash芯片燒寫(xiě)程序或上電加載程序時(shí)與FPGA沖突（數(shù)據(jù)被邏輯鎖定），造成無(wú)法正確定位操作對(duì)象而使讀寫(xiě)失敗。
　　ARM配置及應(yīng)用程序說(shuō)明

　　1 處理器的資源分配
　　● 存儲(chǔ)器
　　AT91FR40162內(nèi)嵌一個(gè)256KB的SRAM，1024K個(gè)16位字組成的Flash存儲(chǔ)器。SRAM通過(guò)內(nèi)部32位數(shù)據(jù)總線與ARM核相連，單周期訪問(wèn)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器則通過(guò)外部總線訪問(wèn)。
　　● 系統(tǒng)外圍
　　EBI：外部總線控制接口，EBI可尋址64MB的空間，通過(guò)8個(gè)片選線（NCS0～NCS3獨(dú)立）和24位地址線訪問(wèn)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(guò)編程選擇為通用或?qū)Ｓ谩?/p>

　　AIC：先進(jìn)中斷控制器，實(shí)現(xiàn)片內(nèi)外圍中斷及4個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)位的發(fā)送，可以進(jìn)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(shí)/計(jì)數(shù)器，可以產(chǎn)生定時(shí)中斷和計(jì)數(shù)功能，其片外引腳與通用I/O復(fù)用。
　　2 存儲(chǔ)器地址重映射后的空間分配

　　在CPU上電后，都會(huì)從地址0開(kāi)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(jìn)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(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器編程地址范圍在映射前后不發(fā)生改變，而訪問(wèn)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(chǔ)器配置
　　EBI存儲(chǔ)器：在8個(gè)EBI片選存儲(chǔ)器（EBI_CSR0～EBI_CSR7）中設(shè)置外設(shè)訪問(wèn)參數(shù)。其中，32位存儲(chǔ)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(gè)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(shí)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(rèn)NCS0為加載Flash片選線，而Flash為16位信號(hào)、7個(gè)等待周期，故需在EBI_CSR0中選擇16位總線寬度、7個(gè)等待周期并使能NCS0。
　　AIC存儲(chǔ)器：AIC存儲(chǔ)器管理所有內(nèi)外部中斷，對(duì)此存儲(chǔ)器的正確初始化賦值才會(huì)打開(kāi)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(zhǎng)度為8位，通信的波特率9600B/s，串口中斷優(yōu)先級(jí)為6（中斷優(yōu)先級(jí)由低到高0～7），接收發(fā)送通道使能。
　　TC存儲(chǔ)器：定時(shí)中斷存儲(chǔ)器需要設(shè)定定時(shí)長(zhǎng)度為1s（每1s產(chǎn)生中斷進(jìn)行故障查詢），定時(shí)通道使能及軟件觸發(fā)模式，定時(shí)中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)為1。