基于單片機(jī)和FPGA的舞臺(tái)吊桿控制器的設(shè)計(jì)

　　2．2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

　　單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由C8051F020單片機(jī)組成，主要完成數(shù)據(jù)的接收與處理。C8051F020的特點(diǎn)是運(yùn)算速度快、集成度高、引腳可配置、工作穩(wěn)定和可靠性高。它完全能夠滿足舞臺(tái)吊桿控制器對存儲(chǔ)器容量、多種總線接口、處理速度和浮點(diǎn)運(yùn)算等方面的要求。

　　C8051F020單片機(jī)有UART0和UART1兩個(gè)串口，其中，串口UART0與LCD顯示器連接，用于把舞臺(tái)吊桿運(yùn)行時(shí)的位置數(shù)據(jù)送給LCD顯示器。單片機(jī)利用它的SMBUS接口連接帶有I2C總線接口的E2PROM（FM24C64鐵片存儲(chǔ)器），把現(xiàn)場數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，以備在掉電后得新上電時(shí)能夠讀出吊桿的當(dāng)前位置，連續(xù)控制吊桿的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)利用它的普通I/O口與網(wǎng)卡芯片RTL8019和FPGA控制器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　2．3 FPGA控制器的設(shè)計(jì)

　　FPGA控制器是利用EDA方法實(shí)現(xiàn)的，主要用 于對霍爾傳感器過來的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并控制電機(jī)。由于吊桿運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的脈沖頻率高，F(xiàn)PGA控制器計(jì)數(shù)量大，所以本設(shè)計(jì)選擇了高容量、高性能的可編程邏輯器件，即ALTERA公司的FLEX 10K系列FPGA。

　　2．3．1 FPGA控制器的模塊劃分

　　根據(jù)系統(tǒng)功能要墳，F(xiàn)PGA控制器的頂層模塊被劃分為以下四個(gè)模塊：兩個(gè)5-32譯碼器、八路與門模塊、八路16位可逆并行計(jì)數(shù)模塊、電機(jī)控制模塊，如圖3所示。

　　兩個(gè)5-32譯碼器模塊的功能是提供與單片機(jī)的接口，實(shí)現(xiàn)可編程接口邏輯。八路計(jì)數(shù)模塊（COUNTER8_FILE_LAST模塊）包括八個(gè)單路計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等，其功能是對霍爾傳感器過來的八路脈沖信號進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)并完成16位數(shù)據(jù)與8位數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。由于C8051F020單片機(jī)的數(shù)據(jù)長度是8位，而計(jì)數(shù)模塊完成的是16位墳數(shù)，所以必須進(jìn)行數(shù)據(jù)位數(shù)的轉(zhuǎn)換。

　　2．3．2 FPGA模塊的功能仿真

　　FPGA控制器是用ALTERA公司的FLEX10K10芯片，在MAX+PLUSII軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合的。根據(jù)上述的模塊劃分，在MAX+PLUSII中的仿真波形圖如圖4所示。

　　3 舞臺(tái)吊桿控制器的軟件設(shè)計(jì)

　　舞臺(tái)吊桿控制器的軟件主要包括：主程序、UDP數(shù)據(jù)的傳輸與解析程序、串口數(shù)據(jù)的發(fā)送程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。

　　3．1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　在舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程控制端通過局域網(wǎng)采用UDP/IP協(xié)議給舞臺(tái)吊桿控制器發(fā)送命令并接收來自控制器的數(shù)據(jù)包。UDP/IP數(shù)據(jù)包的格式如下：

　　在使用該協(xié)議時(shí)，命令信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)都在UDP DATA數(shù)據(jù)區(qū)。為了完成控制目的，必須對這塊數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)制定協(xié)議，協(xié)議格式如表1所示。

　　表1 協(xié)議格式