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

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M／T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(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)，只需采用軟盤升級(jí)方法，在現(xiàn)場(chǎng)就可重新組態(tài)邏輯。在設(shè)計(jì)、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)?？蛇_(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)個(gè)PLD等效門，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，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M／T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π／２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M／T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Ｔ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，即T=Mc／fc。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θ=2πMp／（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=60θ／（2πT）=60fcMp／（4tMc） （r／min）。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Ａ相和Ｂ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)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（１＃、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(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Ｑ＝０、=１，則情況正好與前相反，B口計(jì)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。（１） 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)脈沖周期產(chǎn)生影響。(２)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。（３）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

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ISPLSI1032－80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，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(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。

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（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，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(hào)由門控信號(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、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（16位）、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)門控信號(hào)產(chǎn)生電路發(fā)出門控信號(hào)，控制16個(gè)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(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)通的方式控制智能功率器件，避免相同橋路上的功率器件同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生短路事故。

全數(shù)字I/O電路設(shè)計(jì)完成后，首先利用軟件仿真器進(jìn)行了軟件仿真調(diào)試工作，在軟件調(diào)試的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了硬件調(diào)試。硬件調(diào)試完成后，將ISP器件作為脈沖信號(hào)發(fā)生器以產(chǎn)生其它器件所需的脈沖調(diào)試信號(hào)，進(jìn)行電路板的硬件調(diào)試，從而加快整個(gè)硬件系統(tǒng)的調(diào)試工作。所設(shè)計(jì)的單片全數(shù)字I/O電路已用于全數(shù)字交流位置伺服控制系統(tǒng)中，運(yùn)行結(jié)果表明位置伺服精度達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。