高密度在系統可編程邏輯器件在數字I/O電路中的應用

摘 要： 介紹了在系統可編程（ISP）技術(shù)及ISP器件的特點(diǎn)。分析了變M／T轉速測量電路的工作原理。并由高密度ISP器件設計了位置控制系統單片I/O電路。運行結果表明所設計的電路完全達到設計要求。

關(guān)鍵詞 在系統可編程 高密度邏輯器件 變脈沖數／脈沖周期 數字I/O電路

在系統可編程（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)品設計、制造過(guò)程中對產(chǎn)品中的器件、電路板乃至整個(gè)電子系統的邏輯和功能隨時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組。采用這種器件開(kāi)發(fā)的數字系統，其升級與改進(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(xiě)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(zhuān)門(mén)的編程器和復雜的流程。編程時(shí)僅需一根接口電纜，便可將命令和數據下載到ISP器件。采用傳統的邏輯設計技術(shù)，一旦系統按要求設計完成后，若要升級，進(jìn)行硬件修改，排除硬件故障，是很困難的和不經(jīng)濟的。然而，采用ISP器件進(jìn)行設計，在設計、制造完成后，如果需要重新組態(tài)、升級，只需采用軟盤(pán)升級方法，在現場(chǎng)就可重新組態(tài)邏輯。在設計、開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設計的驗證是必不可少的，它可以使設計者及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，并加以修正，確保最終的設計無(wú)誤。ISP器件在設計完成后可立即編程，進(jìn)行軟件仿真，以利于及早發(fā)現設計中的問(wèn)題。這種軟件仿真可以非常方便地檢查設計的內部節點(diǎn)，而測試向量和輸入激勵都可通過(guò)軟件編程實(shí)現。

用ISP器件取代傳統的標準集成電路、接口電路、專(zhuān)用集成電路已成為數字技術(shù)發(fā)展的趨勢。在構成數字系統時(shí)，這種器件具有下述特點(diǎn)：由于一片ISP器件的集成規?？蛇_數千乃至數萬(wàn)個(gè)PLD等效門(mén)，可以代替數十個(gè)至數百個(gè)分立器件，因此能夠大大縮小硬件系統的體積、減輕重量、降低功耗；還可以提高系統的可靠性，使之易于獲得高性能、具有很強的保密性；同時(shí)也可降低系統成本。

1 I/O電路組成

1.1 變M／T轉速測量法分析

由于光電式測速系統具有低慣量、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轉速的測量。其工作原理是：與交流伺服電機同軸的光電編碼器隨電機的旋轉，產(chǎn)生與轉速成正比的兩相（A相、B相）相隔π／２電脈沖角度的正交編碼脈沖，經(jīng)過(guò)四倍頻電路細分后產(chǎn)生四倍頻脈沖信號。脈沖計數電路對四倍頻脈沖信號進(jìn)行計數，再由數字信號處理器（DSP）對其采樣，并將該采樣值與固定頻率的高頻時(shí)鐘脈沖的計數值進(jìn)行比較、計算后便可得到被測交流伺服電機的瞬時(shí)轉速。在測量轉速時(shí)所用的變脈沖數／脈沖周期測速法（變M／T速法）是為了解決常用的M/T測速法所存在的檢測時(shí)間過(guò)長(cháng)、測速誤差較大而提出的。變M/T測速法在測速過(guò)程中，不僅被測的脈沖信號頻率fm隨電機的轉速不同而變化，而且檢測時(shí)間T也是隨電機的轉速不同而變化，檢測時(shí)間T將始終等于被測脈沖信號的Mp個(gè)脈沖周期之和，如圖1所示。

由圖可見(jiàn)，通過(guò)測量時(shí)間T和在此時(shí)間內計數器對被測脈沖信號的計數值Mp就可以確定電機的轉速。檢測時(shí)間Ｔ可由計數器對頻率為fc的時(shí)鐘脈沖所得的計數值Mc獲得，即T=Mc／fc。設電機每轉發(fā)出t個(gè)光電編碼脈沖，四倍頻后每轉可得到4t個(gè)測速脈沖，則對應的轉角為θ=2πMp／（4t）。由此可以得到變M/T法的轉速測量值計算公式：n=60θ／（2πT）=60fcMp／（4tMc） （r／min）。常用的變M/T法的測量電路如圖2所示。

其測量方法是：由R、C及門(mén)電路等分立器件構成的模擬微分式或積分式四倍頻電路對光電編碼器的Ａ相和Ｂ相正交編碼脈沖信號進(jìn)行四倍頻細分。由兩片通用計數器8253芯片、一片8255芯片、一片8259芯片及數個(gè)D觸發(fā)器構成采樣和計數電路，其中一片8253芯片用于計數測速脈沖，另一片用于計數時(shí)鐘脈沖。采樣定時(shí)器發(fā)出的采樣信號，送至D觸發(fā)器（1＃），使其輸出置“1”，當四倍頻脈沖的上升沿到達D觸發(fā)器（2＃）時(shí)D觸發(fā)器（2＃）置“1”，經(jīng)R、C單穩電路后，一路送至8259芯片的IRO端，作為中斷請求信號；另一路送D觸發(fā)器（3＃）作為1＃、2＃計數器8253芯片的通道切換信號；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(mén)控極GATE分別由D觸發(fā)器（3＃）的Q及端控制。當Q=1、=0時(shí)，A口進(jìn)行計數，B口保持前一檢測周期的計數值，以供CPU讀取。當下一個(gè)采樣信號到來(lái)時(shí)將使Ｑ＝０、=１，則情況正好與前相反，B口計數，A口保持。CPU通過(guò)檢測8255芯片的PB1口，便可判斷應該讀A口還是B口。

上述分立器件電路存在著(zhù)很多不足。（１） 常用的模擬微分型或積分型四倍頻電路實(shí)現起來(lái)比較麻煩而且工作穩定性較差。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)大導致后級門(mén)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格一致；再者，由于電阻、電容的值隨運行時(shí)間、溫度的變化會(huì )發(fā)生變化，同樣會(huì )對脈沖周期產(chǎn)生影響。(２)由分立器件構成的變M/T法測量電路存在著(zhù)電路結構復雜的缺點(diǎn)，除電阻、電容外，還需要十幾片各種門(mén)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）上述測量電路在每次中斷響應時(shí)CPU都要發(fā)出六個(gè)讀信號，首先讀電機轉向信號及通道切換信號，CPU對讀入的通道切換信號進(jìn)行判斷后再讀1＃ 及2＃ 計數器A口或B口的高8位及低8位計數數據。數據采樣頻率很低。

1.2 脈沖寬度調制（PWM）電路及位置給定信號計數電路

PWM電路包括PWM信號生成器及驅動(dòng)電路，常采用PWM集成電路或分立器件組成。PWM信號生成的方法較多，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)器件的導通關(guān)斷時(shí)間比（即調節脈沖寬度）來(lái)控制交流電機定子電流的幅值與頻率，從而達到控制交流電機轉速的目的。

常用的位置伺服控制系統，轉速的控制都分立于位置閉環(huán)控制。不僅國內，即使國外進(jìn)口的交流伺服系統，也大多只提供模擬轉速指令輸入端口。因此，在設計位置控制系統時(shí)，即使采用進(jìn)口的交流伺服系統，也需要設計位置控制板，組成硬件位置閉環(huán)控制，以便處理上位工控機發(fā)出的位置給定信號（數字量），即在位置控制板中將位置給定信號與反饋信號比較、控制后通過(guò)D/A轉換器轉換為模擬轉速給定量（模擬電壓），輸出至交流伺服系統，進(jìn)行轉速控制。也可以組成軟件位置閉環(huán)控制，即由上位機對位置信號采樣后進(jìn)行計算、控制，并輸出數字量的轉速給定信號，由位控板中的D/A器件轉換為模擬轉速給定量（模擬電壓），以控制轉速。

這些電路同樣存在很多不足。一者，整個(gè)位置控制系統較龐大，使用的元器件也很多；二者，轉速的給定都需經(jīng)過(guò)數字量→模擬量→數字量（在交流電機的數字控制中需要進(jìn)行這一步轉換）的轉換，其轉換精度難以保證。

2 全數字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可編程邏輯器件ISPLSI1032－80設計了單片全數字I/O電路。該器件的集成規模為6000PLD等效門(mén)，一片高密度在系統可編程邏輯器件完全可以容納整個(gè)全數字I/O電路，而且同一個(gè)芯片內的門(mén)電路、觸發(fā)器、三態(tài)門(mén)等的參數特性完全一致。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成的電路也有極大的提高。

由ISP器件構成的數字I/O電路包括：變M/T法轉速測量電路、速度給定數據存儲電路、PWM形成電路三部分。

2.1 變M/T法轉速測量電路

該電路包括采樣信號構成電路、數字四倍頻電路、12位測速脈沖計數器A、16位高頻時(shí)鐘脈沖計數器B、數據鎖存器（29位）、輸出三態(tài)門(mén)（29位）。其電路結構如圖3所示。因為ISP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單元構成輸出三態(tài)門(mén)，連到DSP的32位數據總線(xiàn)上。該輸出三態(tài)門(mén)的門(mén)控信號由門(mén)控信號產(chǎn)生電路將DSP的READ信號、IOSTRB信號及片選信號組合而成，該信號接到29個(gè)輸出三態(tài)門(mén)的輸出使能端上，供DSP讀取。中斷響應時(shí)只需要一次讀就可將電機轉向信號、四倍頻測速脈沖計數值、高頻時(shí)鐘脈沖計數值讀入DSP中。數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）細分后產(chǎn)生四倍頻脈沖供計數、采樣使用。同時(shí)，正交編碼脈沖還將產(chǎn)生電機轉動(dòng)方向信號。采樣信號構成電路將DSP發(fā)出的速度采樣脈沖及數字四倍頻電路輸出的脈沖綜合后，按數據鎖存、中斷申請、計數器清零的順序發(fā)出脈沖信號，控制采樣邏輯的順序。測速脈沖計數器、高頻時(shí)鐘脈沖計數器是根據電機每轉輸出的脈沖數及最高轉速設計的12位及16位不可逆計數器。

2.2 轉速給定數據存儲電路

該電路包括16位數據鎖存器、輸出三態(tài)門(mén)（16位）、中斷信號產(chǎn)生電路。其作用是將上位機發(fā)出的轉速給定數字信號鎖存在數據鎖存器中，并向DSP發(fā)出中斷請求信號。當DSP響應中斷時(shí)，通過(guò)門(mén)控信號產(chǎn)生電路發(fā)出門(mén)控信號，控制16個(gè)輸出三態(tài)門(mén)的輸出使能端，將數據鎖存器中轉速給定數字信號讀到DSP中，作為速度環(huán)的給定信號。

2.3 PWM信號產(chǎn)生電路

該電路包括6位PWM數據鎖存器、PWM時(shí)序電路、鎖存延時(shí)器。DSP定時(shí)發(fā)出寫(xiě)數據信號，其數據總線(xiàn)中的一位與地址譯碼器譯碼信號在鎖存延時(shí)器中組合，延時(shí)器的輸出鎖存信號確保數據總線(xiàn)上的數據被正確地鎖存至PWM數據鎖存器中。其輸出經(jīng)過(guò)PWM時(shí)序電路的調節與時(shí)序校正，產(chǎn)生PWM信號。PWM時(shí)序電路同時(shí)保證PWM信號以先關(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)導通而發(fā)生短路事故。

全數字I/O電路設計完成后，首先利用軟件仿真器進(jìn)行了軟件仿真調試工作，在軟件調試的基礎上還進(jìn)行了硬件調試。硬件調試完成后，將ISP器件作為脈沖信號發(fā)生器以產(chǎn)生其它器件所需的脈沖調試信號，進(jìn)行電路板的硬件調試，從而加快整個(gè)硬件系統的調試工作。所設計的單片全數字I/O電路已用于全數字交流位置伺服控制系統中，運行結果表明位置伺服精度達到設計目標。