基于單片機(jī)與FPGA可調(diào)延時(shí)模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。其硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由單片機(jī)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(jī)P89C51RD2是上位PC機(jī)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(jī)進(jìn)行串行通訊;PC機(jī)主要功能是實(shí)現(xiàn)延時(shí)調(diào)整的可視化操作;FPGA是延時(shí)調(diào)整處理的硬件實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)將PC送過來的延時(shí)調(diào)整參數(shù)輸入FPGA，F(xiàn)PGA在單片機(jī)的控制下對(duì)信號(hào)進(jìn)行延遲處理，最后送入相應(yīng)傳輸通道。某些系統(tǒng)使用現(xiàn)場存在較強(qiáng)的電磁干擾，模塊的設(shè)計(jì)考慮信號(hào)隔離問題，故對(duì)串行接口進(jìn)行了電氣隔離，強(qiáng)化了PC機(jī)和模塊通訊的安全系數(shù)。

　　延時(shí)模塊正常上電后，單片機(jī)P89C51RD2首先從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)讀出最近一次存儲(chǔ)的延遲時(shí)間、信號(hào)通道等參數(shù)，并轉(zhuǎn)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(biāo)地址以便切換到對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道，然后再根據(jù)時(shí)間對(duì)該通道進(jìn)行預(yù)定的延時(shí)，恢復(fù)先前調(diào)整好的延時(shí)信號(hào)。在模塊運(yùn)行期間，P89C51RD2實(shí)時(shí)監(jiān)測、接收來自上位PC機(jī)發(fā)送的新延時(shí)數(shù)據(jù)。如果需要對(duì)某一路信號(hào)的延時(shí)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過PC機(jī)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(jìn)入到單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，待下次上電讀取使用;另一路則轉(zhuǎn)發(fā)至由FPGA控制的延時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的延遲時(shí)間調(diào)整。

　　塊使用的P89C51RD2是PHILIPS公司內(nèi)核基于8 位80C51單片機(jī)的派生產(chǎn)品，它們在完全保留80C51 指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的大框架外，還具有多方面的功能加強(qiáng)、擴(kuò)展、翻新和創(chuàng)新，其中在應(yīng)用中編程(IAP：In-Application Programming)是最顯著特點(diǎn)之一。在應(yīng)用中可編程是指MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對(duì)自己重新編程，即用程序來改變程序。P89C51RD2的IAP功能實(shí)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(jīng)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(diào)用BootROM中帶適當(dāng)參數(shù)的公共入口，即可實(shí)現(xiàn)所需要的操作。

P89C51RD2閃存結(jié)構(gòu)見圖2，它具有如下特點(diǎn)：

　　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(dú)擦除;

　　3. 在程序中可以調(diào)用IAP功能對(duì)閃存中的每一字節(jié)進(jìn)行單獨(dú)編程。

　　正是由于上述三個(gè)特點(diǎn)，在不外擴(kuò)展存儲(chǔ)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(jī)接收中斷采集到的信號(hào)通道、延遲時(shí)間等參數(shù)存儲(chǔ)下來，實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)延時(shí)模塊的軟件包括了PC機(jī)發(fā)送參數(shù)程序，單片機(jī)接收并存儲(chǔ)參數(shù)程序和FPGA信號(hào)延時(shí)處理程序。

　　PC機(jī)發(fā)送參數(shù)程序是用戶將PC機(jī)的串口與模塊連接，通過PC機(jī)的發(fā)送程序界面，很容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)調(diào)整。發(fā)送程序采用VC作為編程語言，調(diào)用串口控件，設(shè)計(jì)方便且界面簡潔，界面如圖3所示。發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)幀8位，包括延遲時(shí)間和信號(hào)通道兩個(gè)參數(shù)，其中高三位是要調(diào)整的信號(hào)通道，后五位表示延遲的時(shí)間。發(fā)送程序中，對(duì)界面中的“+”或“?”進(jìn)行一次操作，PC就通過串口向單片機(jī)連續(xù)發(fā)送8路信號(hào)延時(shí)參數(shù)，即只要調(diào)節(jié)了任一路信號(hào)的延時(shí)，PC機(jī)就會(huì)連續(xù)發(fā)送8個(gè)數(shù)據(jù)幀。

　　單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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