基于ACEXIK系列FPGA器件EPIK10實(shí)現(xiàn)8路脈沖量計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

八路脈沖量輸入模板（Pl）的功能是對(duì)8路0-50kHz閥值電壓在0-5V、0-12V、0-24V電平的脈沖量信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可以進(jìn)行相應(yīng)的頻率型和累積型信號(hào)的計(jì)算。頻率型和累積型分別適用于不同的場(chǎng)合。當(dāng)對(duì)累積精度要求較高時(shí)使用累積型組態(tài)，而當(dāng)對(duì)瞬時(shí)流量精度要求較高時(shí)使用頻率型組態(tài)。

2、模板的主要技術(shù)指標(biāo)

1. PI模板可允許八路脈沖量信號(hào)輸入，并且通道之間是點(diǎn)點(diǎn)隔離的;

2. 信號(hào)頻率的輸入范圍：頻率型信號(hào)為0-50kHz，累積型信號(hào)為0-2kHz，輸入電流大于7mA;

3. 對(duì)輸入的脈沖量信號(hào)采用專(zhuān)用設(shè)備FPGA進(jìn)行計(jì)數(shù)，做批處理;

4. 通過(guò)工程師站配置所需信息：每一路可選擇輸入信號(hào)范圍和類(lèi)型及對(duì)應(yīng)的工程量量程、上下限報(bào)警點(diǎn)等，并記憶于模板上的非易失性存儲(chǔ)器中;

5. 根據(jù)所配置的信息，智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量;

6. 最小辨識(shí)的輸入脈沖信號(hào)寬度為5μs，分辨率1Hz;

7. 具有整形處理、掉電保護(hù)、通信故障自檢與報(bào)警及CPU故障自檢與報(bào)警功能;

8. 專(zhuān)用計(jì)數(shù)設(shè)備FPGA與脈沖量信號(hào)之間采用了光電隔離措施，抗干擾能力強(qiáng);

9. 可安裝于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)CANBUS總線將每一路的測(cè)量信息傳送到主控模板，方便地組成智能分布式控制系統(tǒng)。

3、模板的硬件組成及總體設(shè)計(jì)

PI模板選用MCgslZD64為微處理器，配以Altera公司生產(chǎn)的ACEXIK系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列即GA器件EPIK10、AGILENT公司的高速光耦合器6N136、施密特觸發(fā)器74HC14、總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250等組成。PI模板設(shè)置了8路輸入通道，用來(lái)采集0-50kHz閥值電壓在0-5V、0-12V、0-24V電平的脈沖量信號(hào)，信號(hào)通過(guò)高速光耦合器6N136，再經(jīng)施密特觸發(fā)器74HC14對(duì)信號(hào)整形，整形后的信號(hào)進(jìn)入FPGA器件EPIK10，在該器件內(nèi)部完成對(duì)8路脈沖量信號(hào)的計(jì)數(shù)，同時(shí)微處理器MC9512D64實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA器件的控制，從而完成對(duì)8路脈沖量的計(jì)數(shù)及結(jié)果的存取，并通過(guò)CAN總線通信將結(jié)果傳送到主控模板。

該設(shè)計(jì)選用了Altera公司生產(chǎn)的ACEXIK系列FPGA器件EPIK10實(shí)現(xiàn)對(duì)8路脈沖量的計(jì)數(shù)，對(duì)于該器件的設(shè)計(jì)及功能的實(shí)現(xiàn)是PI模板設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，下面就從可編程邏輯器件開(kāi)始做詳細(xì)的介紹。Pl模板總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 PI模板總體設(shè)計(jì)圖

4、FPGA實(shí)現(xiàn)8路脈沖量計(jì)數(shù)的設(shè)計(jì)

4.1 CPLD與FPGA的區(qū)別

在主控模板的設(shè)計(jì)中，采用了CPLD實(shí)現(xiàn)了總線的轉(zhuǎn)換，在脈沖量模板中又使用了FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖量的計(jì)數(shù)。概括起來(lái)FPGA和CPLD都是由邏輯單元、I/O單元和互連三部分組成的，I/O單元的功能基本一致，單元、互連以及編程工藝則各不相同，而它們的區(qū)別又決定了它們應(yīng)用范圍的差別。

在選擇可編程邏輯器件時(shí)，所選器件的邏輯資源量能否滿足系統(tǒng)的要求是首要考慮的因素，但在實(shí)現(xiàn)調(diào)試前很難準(zhǔn)確確定芯片耗費(fèi)的資源。PLD器件的應(yīng)用大都是在使用開(kāi)發(fā)軟件前大概估算一下所需資源量，選擇有一定冗余的器件以便充分滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也要考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，有可能增加新的功能，以及后期硬件升級(jí)的可能性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用的是可編程邏輯器件的主流廠家Altera公司新近提供的一款中等密度器件ACEXIK系列的FPGA器件EPIK10。

ACEXIK系列采用SOPC設(shè)計(jì)，是基于Altera公司的查找表結(jié)構(gòu)的一種現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），性能高，功率低。ACEXIK系列基于靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM結(jié)構(gòu)，管腳之間的延遲低于3.5ns，集成了10000-100000個(gè)可用門(mén)。

4.2 配置器件

基于靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM結(jié)構(gòu)的可編程器件在芯片掉電時(shí)其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將丟失，所以這類(lèi)FPGA必須與一塊EPROM或EZPROM連用—將各點(diǎn)的編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在E2PROM（或EPROM中）。芯片每次上電工作時(shí)，首先將各編程點(diǎn)的觸發(fā)器按E2PROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)置位，則FPGA芯片就能執(zhí)行所設(shè)計(jì)的功能。因?yàn)樵谶@種方式中，各實(shí)際的連接器件并未像CPLD那樣被燒死，換用其他編程數(shù)據(jù)即可按其他的設(shè)計(jì)結(jié)果工作，所以常將這種方式稱為配置（Configure）。

Altera的配置器件可以存儲(chǔ)基于SRAM工藝的ACEX、FLEX、APEX系列器件的配置數(shù)據(jù)，提供的配置器件支持ISP，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，并且可以現(xiàn)場(chǎng)升級(jí);支持多重端口電壓標(biāo)準(zhǔn)，支持3.3V和5V電壓，適合于混合電壓設(shè)計(jì)使用，并且密度范圍寬。該設(shè)計(jì)中選用的EP1K10器件的配置器件可以是EPC1、EPC2和EPC1441，它們都支持3.3V和5V電壓，不同的是存儲(chǔ)空間大小不同，設(shè)計(jì)中選用了EPC1441，它可存儲(chǔ)440800個(gè)字節(jié)。

所有的APEX、FLEX和ACEX系列器件可以控制整個(gè)配置過(guò)程，在不需要控制器的條件下可以自動(dòng)的從配置器件當(dāng)中讀取數(shù)據(jù)，完成配置過(guò)程。如圖2所示，是用EPC1441配置EP1K10器件的電路圖。

EPC1441將配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EPROM中，用內(nèi)部振蕩器存儲(chǔ)串行時(shí)鐘數(shù)據(jù)的輸出。OE、nCS和DCLK引腳為地址計(jì)數(shù)器和輸出三態(tài)緩沖器提供控制信號(hào)。配置器件發(fā)送一串連續(xù)的配置數(shù)據(jù)到它的DAIA引腳，這樣數(shù)據(jù)就被發(fā)送到EP1K10的DATA0或DATA輸入引腳上，完成了配置過(guò)程。

4.3 開(kāi)發(fā)軟件Max+PlusII的功能及使用

對(duì)于CPLD/FPGA的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，成功與否在很大程度上取決于EDA開(kāi)發(fā)軟件。在提供高性能芯片的同時(shí)，Altera公司也提供了強(qiáng)大且易于使用的軟件開(kāi)發(fā)工具M(jìn)ax+PlusII。設(shè)計(jì)者不需精通器件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以用自己熟悉的設(shè)計(jì)工具，如原理圖輸入或硬件描述語(yǔ)言建立設(shè)計(jì)，Max+PlusII把這些設(shè)計(jì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成最終所需的格式，設(shè)計(jì)速度非?？?。Max+PlusII的設(shè)計(jì)流程包括幾個(gè)部分，如圖3：

圖2 EPC1441配置EP1K10器件電路圖 圖3 軟件開(kāi)發(fā)流程

Max+PlusII為實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能提供了大量的圖形元件和宏功能符號(hào)供設(shè)計(jì)人員在圖表編譯器文件中直接使用。這些功能為FPGA的設(shè)計(jì)提供了高度的靈活性，縮短了開(kāi)發(fā)周期，在該設(shè)計(jì)中使用了大量的74系列邏輯實(shí)現(xiàn)鎖存、計(jì)數(shù)、譯碼等功能。

5、具體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

模板選用Altera的FPGA器件EP1K10實(shí)現(xiàn)8路脈沖量計(jì)數(shù)的功能，如圖4所示。

圖4 FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)框圖

對(duì)該器件的設(shè)計(jì)包括接口電路設(shè)計(jì)和計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，其中計(jì)數(shù)電路部分又包括閘門(mén)、計(jì)數(shù)器和鎖存器三個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

圖5是對(duì)計(jì)數(shù)電路部分的具體設(shè)計(jì)原理圖，圖中只畫(huà)出了對(duì)第一路脈沖量信號(hào)計(jì)數(shù)的電路，對(duì)其他七路信號(hào)的計(jì)數(shù)與此相同。如圖所示，選用74HC125相當(dāng)于一閘門(mén)，脈沖信號(hào)接到輸入引腳，輸出控制引腳接至CPU來(lái)控制何時(shí)將脈沖信號(hào)輸出至計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。一個(gè)74HC125可控制四路脈沖信號(hào)，那么只需兩個(gè)74HC125即可完成對(duì)八路脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)使能。

圖5 EP1K10實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)的內(nèi)部原理圖

對(duì)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)是用4片4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74161采用同步級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成的16位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器。四個(gè)芯片公用外部時(shí)鐘和清零信號(hào)。由于低位片的ENT=ENP=1，所以總是工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)。而高位片的ENT、ENP接低位片的進(jìn)位輸出端RCO，所以只有當(dāng)?shù)臀黄?jì)數(shù)到最大值1111時(shí)，RCO=1使高位片的ENT=ENP=1，滿足計(jì)數(shù)條件，在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，低位片回零，高位片加1，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)位。由于四個(gè)芯片共用外部時(shí)鐘，在需要翻轉(zhuǎn)時(shí)，四片同時(shí)翻轉(zhuǎn)，所以稱為同步級(jí)聯(lián)。

Max-PlusII中提供了大量的庫(kù)文件，其中包括了上面設(shè)計(jì)圖中的74系列邏輯元件及各種門(mén)，只需調(diào)用即可。在新建的項(xiàng)目下輸入設(shè)計(jì)好的圖形后，下一步是對(duì)其進(jìn)行編譯。打開(kāi)“ComPiler”，選擇“start”開(kāi)始編譯。編譯成功后生成時(shí)序模擬文件和器件編程文件。若有錯(cuò)誤，編譯器停止編譯，并在下面信息框中給出錯(cuò)誤信息。編譯器通過(guò)“TimingSNFExtractor”后就可以進(jìn)行時(shí)序模擬，判斷輸入輸出間的延遲。

為使設(shè)計(jì)符合用戶的要求，由編譯器自動(dòng)選擇的目標(biāo)器件和管腳鎖定將由用戶重新選擇。此時(shí)需要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行重新編譯。最后將設(shè)計(jì)的項(xiàng)目配置到所選擇的器件中。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

可編程邏輯器件的應(yīng)用成為現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)中的高效方式。本文基于FPGA實(shí)現(xiàn)了對(duì)8路脈沖量信號(hào)的計(jì)數(shù)功能，滿足了模板的性能要求，同時(shí)，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高速通信的需要，也可為復(fù)雜控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制提供強(qiáng)有力的工具。

責(zé)任編輯：gt