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基于P89C52RD2和FPGA的可調延時模塊設計

作者: 時間:2016-12-22 來源:網絡 收藏

  引言

  基于P89C51RD2和FPGA的信號延時模塊主要用在傳輸時鐘信號、數(shù)字同步信號等對信號延遲有高要求的點對點傳輸系統(tǒng)中,它可對多路信號進行單獨的適當延時調整。造成信號的延遲原因有:不同的傳輸線路、信號處理時間不同以及器件速度存在差異等。無論何種原因,延時模塊可以對輸入的已存在有延時積累的信號進行不同精度、不同范圍的延時調節(jié),使信號到達終端后相對延遲時間符合要求。由于利用了可編程器件FPGA和增強型單片機,延時模塊不僅能較好地實現(xiàn)其功能,而且實現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化和微型化,利于模塊在系統(tǒng)中的使用和模塊的二次開發(fā)。

  系統(tǒng)結構及硬件設計

  系統(tǒng)結構框圖如圖1。其硬件結構比較簡單,主要由單片機P89C51RD、RS-232/TTL接口電路MAX232和可編程邏輯器件FPGA三部分組成。單片機P89C51RD2是上位PC機和FPGA的連接紐帶,它通過并口發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA,另一邊通過RS-232/TTL接口芯片與PC機進行串行通訊;PC機主要功能是實現(xiàn)延時調整的可視化操作;FPGA是延時調整處理的硬件實現(xiàn),單片機將PC送過來的延時調整參數(shù)輸入FPGA,F(xiàn)PGA在單片機的控制下對信號進行延遲處理,最后送入相應傳輸通道。某些系統(tǒng)使用現(xiàn)場存在較強的電磁干擾,模塊的設計考慮信號隔離問題,故對串行接口進行了電氣隔離,強化了PC機和模塊通訊的安全系數(shù)。

  

  延時模塊正常上電后,單片機P89C51RD2首先從數(shù)據(jù)存儲區(qū)讀出最近一次存儲的延遲時間、信號通道等參數(shù),并轉發(fā)到FPGA數(shù)據(jù)接口。FPGA根據(jù)接收到的參數(shù),首先篩選出目標地址以便切換到對應的信號通道,然后再根據(jù)時間對該通道進行預定的延時,恢復先前調整好的延時信號。在模塊運行期間,P89C51RD2實時監(jiān)測、接收來自上位PC機發(fā)送的新延時數(shù)據(jù)。如果需要對某一路信號的延時量進行調節(jié),通過PC機的串口發(fā)新數(shù)據(jù),P89C51RD2中斷收到新數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)分成兩路處理:一路進入到單片機的數(shù)據(jù)存儲區(qū),待下次上電讀取使用;另一路則轉發(fā)至由FPGA控制的延時控制,實現(xiàn)信號的延遲時間調整。

  塊使用的P89C51RD2是PHILIPS公司內核基于8 位80C51單片機的派生產品,它們在完全保留80C51 指令系統(tǒng)和硬件結構的大框架外,還具有多方面的功能加強、擴展、翻新和創(chuàng)新,其中在應用中編程(IAP:In-Application Programming)是最顯著特點之一。在應用中可編程是指MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對自己重新編程,即用程序來改變程序。P89C51RD2的IAP功能實現(xiàn)是通過PHILIPS 公司提供的BootROM 固件來完成的,它位于0FC00H?0FFFFH空間,與閃存空間重疊(見圖2)。固件中已經固化有擦除和編程等子程序,PHILIPS 公司提供了尋址該固件的方法,只要用戶程序簡單調用BootROM中帶適當參數(shù)的公共入口,即可實現(xiàn)所需要的操作。

  

  P89C51RD2閃存結構見圖2,它具有如下特點:

  1. 其閃存空間是分塊的64kB的閃存空間,共分5塊,由低到高分別為8kB(BLOCK0)、8kB(BLOCK1)、16kB(BLOCK2)、16kB(BLOCK3)以及16kB( BLOCK4);

  2. 每一塊都可以單獨擦除;

  3. 在程序中可以調用IAP功能對閃存中的每一字節(jié)進行單獨編程。

  正是由于上述三個特點,在不外擴展存儲器情況下,將程序空間剩余下的閃存空間作為數(shù)據(jù)空間,把單片機接收中斷采集到的信號通道、延遲時間等參數(shù)存儲下來,實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存。

  軟件設計

  整個延時模塊的軟件包括了PC機發(fā)送參數(shù)程序,單片機接收并存儲參數(shù)程序和FPGA信號延時處理程序。

  PC機發(fā)送參數(shù)程序是用戶將PC機的串口與模塊連接,通過PC機的發(fā)送程序界面,很容易對信號進行延時調整。發(fā)送程序采用VC作為編程語言,調用串口控件,設計方便且界面簡潔,界面如圖3所示。發(fā)送的每個數(shù)據(jù)幀8位,包括延遲時間和信號通道兩個參數(shù),其中高三位是要調整的信號通道,后五位表示延遲的時間。發(fā)送程序中,對界面中的“+”或“?”進行一次操作,PC就通過串口向單片機連續(xù)發(fā)送8路信號延時參數(shù),即只要調節(jié)了任一路信號的延時,PC機就會連續(xù)發(fā)送8個數(shù)據(jù)幀。

  

  單片機軟件設計

  單片機主要完成與PC之間的通信,數(shù)據(jù)的存儲和上電數(shù)據(jù)的讀取。程序采用C51編寫,編譯采用當前編譯效率最高的C51編譯器KEIL。軟件流程圖見圖4。

  

  在P89C51RD2的64k閃存空間中,地址為0000H-7FFFH的32kB閃存空間作為程序空間,整個單片機程序編譯后為15k,所以32k的程序空間足夠大。余下的8000H?FFFFH的32kB 閃存空間留作數(shù)據(jù)存儲空間。兩塊數(shù)據(jù)存儲空間輪流使用,當數(shù)據(jù)量存滿其中一塊時通過程序跳轉到另一塊,在使用前先將該塊擦除。

  各函數(shù)介紹如下:

  main()——主程序;

  InitUart(void)——串口初始化;

  IapInit(void)——IAP功能初始化,使用IAP功能前必調用;

  PowerOnRead(void)——上電讀取最近一次存儲的參數(shù)。模塊對上電時間要求不苛刻,最新數(shù)據(jù)的地址可通過查表方式尋找。每一個數(shù)據(jù)幀占一個數(shù)據(jù)存儲空間,由于單片機每次中斷都接收到8個數(shù)據(jù)幀,所以將每8個數(shù)據(jù)存儲空間劃分成一組,這樣只要查詢每組的頭一個地址就能快捷地完成查詢,大大節(jié)省了查詢時間。

  EraseBlock (uint AddressRestore)——判斷當前數(shù)據(jù)存儲空間塊滿,并擦除;

  RestoreData(void)——數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲空間;

  FPGADataUp(uchar DataRec)——更新FPGA接口數(shù)據(jù)。

  在程序中,要多次調用BootROM固件中的子程序。由于IAP子程序接口是匯編語言,為了編寫方便,同時使程序框架明了,編寫了一個IAPLIB.A51匯編語言接口函數(shù)庫和IAPLIB.H頭文件。在程序中加上IAP.H頭文件,調用固件程序時就不需在C51程序中嵌入?yún)R編,而是像調用C語言函數(shù)一樣簡單,這大大簡化了編程。

  FPGA設計

  FPGA主要設計了DECODE延時通道譯碼器、CS片選信號控制器、N階SHIFTER移位寄存器。其中譯碼器用于完成對單片機并口送來的數(shù)據(jù)進行通道、時間參數(shù)的分離,用通道參數(shù)進行尋址和譯碼,這是一種簡單的譯碼邏輯和觸發(fā)電路。N階移位寄存器用于完成對信號進行N階的延時處理,是延時處理的核心單元。單路信號延時調節(jié)的基本框圖見圖5。

  

  延時通道譯碼器將單片機并口送來的延時參數(shù)送入鎖存器,同時輸出控制電路將移位寄存器對應的延時階切換到輸出端。從不同的階引出信號即可獲得不同的延時量??刂茣r鐘和移位寄存器的階數(shù)決定了延時步進調節(jié)精度和延時調節(jié)范圍。如果定時模塊有N個信號通道,每個定時模塊集成N個完全相同的延時調節(jié)單元,就可實現(xiàn)獨立調節(jié)各個通道信號延時大小的功能。集成的延時調節(jié)單元越多,占用可編程芯片的資源就越多,這可以根據(jù)實際需要選擇可編程邏輯器件。

  FPAG軟件的設計采用“自頂向下”、“軟硬兼施”的設計方法,主要的各單元設計采用VHDL語言描述完成,而整個多路信號的延時功能處理采用圖形輸入設計方法。軟件設計完成后,根據(jù)電路原理圖進行引腳鎖定,然后啟動編譯程序來編譯項目。編譯器將進行錯誤檢查、網表提取、邏輯綜合和器件適配,然后進行行為仿真、功能仿真和時序仿真。最后通過編程器方式將POF文件下載到EPROM中。加電后,F(xiàn)PGA將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內編程RAM中,完成配置,從而生成硬件電路。

  模塊功能調試實現(xiàn)

  模塊在調試中出現(xiàn)P89C51RD2有時上電程序運行不正常,讀取程序空間是空的。但是只要上電工作起來,就恢復正常。懷疑由于上電復位時序混亂,造成誤調用固件擦除芯片子程序。采用專用復位芯片替換電容電阻加二極管的復位電路,使問題得到了解決。同樣,在單片機正確送數(shù)情況下,F(xiàn)PGA上電出現(xiàn)不能正?;謴皖A設好的延時信號,信號總是零延遲(第一次上電,單片機數(shù)據(jù)存儲空間內沒有數(shù)據(jù),信號就處于零延時狀態(tài)),但在工作狀態(tài)下,能夠很好地實現(xiàn)延時調節(jié)。懷疑這種情況是因存在復位問題而導致,但專用復位芯片不能解決問題。經多次檢查程序,發(fā)現(xiàn)硬件語言程序中觸發(fā)語句是電平觸發(fā),改寫為脈沖上升觸發(fā)后問題得以解決。

  結束語

  采用單片機和FPGA設計的延時調節(jié)模塊,硬件結構簡單,設計集成度高。軟件方面,單片機程序將C語言和匯編語言很好地結合,F(xiàn)PGA充分發(fā)揮了硬件語言易改變電路結構和算法的優(yōu)越性。提高FPGA中移位寄存器的時鐘頻率,同時相應增加移位寄存器程序輸出階數(shù),可實現(xiàn)更高精度的延時步進調節(jié)和增大延時調節(jié)范圍。因此可以在不改變模塊硬件結構基礎的上,通過軟件升級來提高模塊的性能,從而擴大模塊的應用領域。



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