嵌入式数控系统中基于FPGA模块的接口扩展黄山

嵌入式数控系统中基于FPGA模块的接口扩展

嵌入式数控系统中基于FPGA模块的接口扩展 2012年09月28日 数控系统是数控机床的核心部件，是数控机床性能及可靠性的关键所在。近年来随着嵌入式控制器和基于SOPC的可编程器件的广泛应用，基于ARM+FPGA结构的嵌入式数控系统得到较大的发展。本文基于ARM+FPGA的控制结构构建出嵌入式数控系统，通过FPGA将外围I／0端口内嵌入到数控系统中，数控系统的内嵌I／0端口可以轻松实现对机床辅助功能的扩展和控制。基于ARM+FPGA控制结构的嵌入式数控系统以较低的成本实现异I／0端口的扩展与控制。1 控制系统结构概述 基于ARM+FPGA的控制模块中采用ARM9控制器S3C241 0，FPGA则用Altera的Cyclone II系列中的EP2CSQ208。如图l所示，ARM9主要负责数控机床总体的控制和人机交互，包括对FPGA进行数据的读写控制，ARM9和FPGA之间的连接采用并行通信，其中地址总线是A0～A7、数据总线D0～D7及4条控制总线分别是读写控制线和2条片选控制线。ARM9控制器通过FPGA实现对扩展的RAM模块进行读写控制，以及对FPGA中的AID、D／A、数字I／O和PWM模块的进行数据操作。FPGA负责信号输入聚集、信号存储、和输出信号的响应。ARM微控制器通过FPGA实现数控机床辅助信号的控制，此外通过FPGA可以方便的实现数控机床辅助接口扩展和应用。

2 FPGA模块设计 FPGA器件中要实现的模块有：A/D、D／A、PWM、数字量的输入和输出以及RAM模块，其中RAM作为ARM9访问FPGA的通道。2．1 AfD模块 本模块的外围硬件采用8位串行A／D转换器芯”TLC549。TLC549是美国德州仪器公司，上产的8位串行A／D转换器芯”，该芯”可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口，具有4MHz”内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为l7μs。TLC548允许的最高转换速率为45500次／s，TLC549为40000次／s。总失调误差最大为土0．5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电坼高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+一VREF-≥lV，可用于较小信号的采样。如图2所示，FPGA板上的A／D模块电路主要是通过FPGA的3条控制线AD CS、AD DATA 、AD_CLK，以串行方式对A／D采样数据进行读写控制。当CS变为低电半后，TLC549芯片破选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB(A7)白DATA OUT端输出，之后白I／O CLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个I／O CLOCK信号用于配合TLC549输出前次转换结果A6一A0共7位，并为本次转换做好准备。在第4个I／O CLOCK信号由高至低的跳变之后，片内采样／保持电路对输入模拟量采样开始，第8个I／O CLOCK信号的下降沿使片内采样／保持电路进入保持状态并启动A／D开始转换。转换时间为36个系统时钟周期，CS保持高电平，或I／O CLOCK时钟端保持36个系统时钟周蝴的低电平。由此可见，在自TLC549的I／O CLOCK端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A／D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次A／D转换开始。

2．2 D／A模块 D／A模块的外闱硬件是4路串行8位电压输出型D／A芯片TLC5620。该芯片是Tl公司推出的具有高阻抗基准输入的4路串行8位电压输出型数／模转换芯片，建立时间为10μs，每一路均具有两级缓冲器，即输入锁存器和DAC锁存器，一个输出量程开关、一个8位DAC电路以及一个电压输出电路，输出电压的计算公式为： 式中，D=0-255表示需要转换的数字量，RNG等于0或1表示量程切换。当负载电阻大于10 k时，具有很好的恒胩作用。陔芯片采用简单4线串行总线接口方式，因而与异种处理器和微控制器的接口十分简单。且数模转换后的电压幅度可编程调节。TLC5620 工作时采用11位串行通信，最高两位控制通道选择，低8位是要进行数模转换的数字量，LOAD和LDAC是控制信号。如图3所示，FPGA板上的D／A模块电路中有4条输入控制线，DAC_DATA是串行数据线，DAC_CLK是串行时钟线，DAC_LDAC和DAC_LODA是输入控制信号，以及dac_clk、dac_data、dac_load、dac_ldac输出控制线。

2．3 RAM模块、和I／O接口如图4所示，RAMl6*8模块包括4位地址线address[3..0]，8位数据线data[7..0]以及四条控制线，它们分别是CS、ng_CS、oebar、webar。此外八位数字量输入data in[7..0]是由TLC549芯片经过串并转换后的八位数据输入信号，q_data8[7..0]是八位数字量输出信号端子。q_datall[10..0]是用于数字量输出控制的包含有ll根数据线，该ll位的D／A转换值送入到DAC_TLC5620模块中。8位数字量输出q_data pwm[7..0]连接PWM模块。clk是时钟信号，系统在时钟周蝴的控制下进行读取地址。

本模块中的数据总线是三态总线，由控制总线决定。CS，ng_CS低电平有效，webar低电平时，数据总线为输入状态，webar是高电平且oebar为低电平时，数据总线是输出状态。其余情况，数据总线生现高阻态。CS，ng_CS均为低电平且oebar,webar均为低电平时，进行写数据的时序；oebar,webar均非低电平时，数据总线生现高组态，符合RAM的设计要求。 PWM脉冲宽度训制(Pulse WidthModulation)，简称脉宽调制。本模块产生同定频率10kHz，占空比可设置。浚模块包括clk时钟线，CS控制信号，pwm_dc[7..0]占空比控制数据输入，pwm_qPWM波形输出。3 FPGA总体模块的连接和仿真调试 如图5所示，FPGA的总体模块图实现异模块组合和连接，在前面异模块都完成后，通过原理图连接，作为顶层设计模块，完成相应的管脚分配，通过RAM模块实现对相关模块的控制。 如图6所示，对FPGA总体模块进行仿真得到时序图。从图中可知该模块读写操作正确。之后将生成的．sof文件下载到开发板中进行测试，得到的结果与时序仿真结果相同，表明FPGA总体模块工作正常。 4 ARM+FPGA联机调试 将raml 6*8．sof通过USB．Blaster下载到FPGA上，之后运行ARM9微控制器。ARM驱动程序中，在ram_open()加入了对ram模块数据的读写操作，ARM9控制系统通过动态加载相应的驱动程序实现对FPGA模块的连接和控制。ARM9微控制器对FPGA中的各个控制模块进行操作，包括对RAM进行循环写及回读显示测试。如图 7所示，在minicom终端打即测试结果，以分析对RAM_DATA、PWM_DATA、DAC_ABCD和DAC_DATA写数据和读数据，表明可通过ARM写四个寄存器值，将此数据输出至PWM模块与DA模块。IN_DATA、ADC_DATA的数据会被外围模块的输入数据改写，故这ARM控制器只能读取曲个寄存器的值。如图 7所示，测试结果和设计要求一致，表明各模块工作正常，满足系统的控制要求5 结论 本文基于ARM+FPGA实现嵌入式数控系统外围辅助功能接口的扩展和控制。仿真和实验结果表叫嵌入式数控系统通过大规模的可编程逻辑器件FPGA可以轻松实现数控系统的外围功能扩展。FPGA的并行处理机制，大大提高数控机床对外围控制部件的响应速度，提高系统的可靠性和使用范围，降低了系统的硬件件成本，提高的性价比。

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