ARM7与FPGA在工业控制中的应用

 

　　工业控制中往往需要完成多通道故障检测及多通道命令控制(这种多任务设置非常普遍)，单独的CPU芯片由于其外部控制接口数量有限而难以直接完成多路检控任务，故利用ARM芯片与FPGA相结合来扩展检控通道是一个非常好的选择。这里介绍用Atmel公司ARM7处理器(AT91FR40162)和ALTERA公司的低成本FPGA芯片(cyclone2)结合使用完成多通道检控任务的一种实现方法。

　　各部分功能简介

　　图1为此系统的结构连接框图。如图所示，ARM芯片与FPGA芯片之间通过数据总线、地址总线及读写控制线相连，而与终端PC则通过串口通信;FPGA与目标设备通过命令控制总线和故障检测总线相连。

　　

 

　　图1 系统结构框图

　　1 故障检测和命令控制部分

　　故障检测：检测通道的故障(正常)信号以高(低)电平方式指示，其一旦有故障产生就会保持高电平不变直到故障排除。针对这种特征，在ARM控制器端采用定时中断循环查询方式来判断故障通道的状态。定时中断程序通过对ARM 地址总线在FPGA中进行译码而顺序锁定被检测通道的电平值，然后再经数据总线传回ARM进行判断，最后将判断结果送至远程终端。采用主机查询方式而不采用故障中断方式出于两个原因：一方面是通常控制芯片外部中断源有限(多数为4个外部中断源)，对于多目标中断信号检测显然是困难的;另一方面，由于检测通道或设备受到短时干扰而产生电平随机反转，造成故障中断触发，而中断触发后又无法在通道电平恢复正常时撤销故障信号，故而形成虚假报警。

　　命令控制：ARM芯片先判断主控端发来的控制命令，然后通过地址总线和数据总线将命令状态发送至经FPGA地址译码锁定的控制通道上。

　　2 ARM芯片与远程检测控制终端通信

　　由于只存在命令和故障状态信号的收发，所以利用ARM的串口实现与远程PC的通信，通信标准选为RS232标准。不过，在ARM芯片上要先将TTL电平通过MAX232芯片转换为RS232电平标准，对于距离超过15m的全双工通信，在发送接收两端还要各加一对RS232转RS422电平的转换模块，以增加通信距离。

　　3 FPGA内部功能模块说明

　　FPGA内部检测及控制电路结构关系如图2所示。

　　

 

　　图2 FPGA内部逻辑结构

　　ARM芯片的ADDR2～0位地址线和片选使能信号一同进入译码器decode1进行地址译码后产生8路输出(FPGA内部可设置一个最大输出为256路的译码模块，所以在实际应用中可扩展为更多通道)，低4路用于命令发送通道，高4路用于故障检测通道，读写使能信号控制数据总线。

　　ARM芯片接收到发送信号编码命令时，立即在串口接收中断服务子程序中并送相应地址(通道编号)和数据(命令状态)到FPGA中。译码器有效输出作为相应通道D触发器的锁存时钟，而数据状态则被触发器锁定后作为所选通道的输出完成相应控制。

　　ARM芯片在定时中断产生进入服务程序后对所有检测通道轮流查询，查询到有通道故障时，故障信号结合选中通路信号经与非运算送往数据端口被读取。