基于P89C52RD2和FPGA的可调延时模块设计

基于P89C51RD2和FPGA的信号延时模块主要用在传输时钟信号、数字同步信号等对信号延迟有高要求的点对点传输系统中，它可对多路信号进行单独的适当延时调整。造成信号的延迟原因有：不同的传输线路、信号处理时间不同以及器件速度存在差异等。无论何种原因，延时模块可以对输入的已存在有延时积累的信号进行不同精度、不同范围的延时量调节，使信号到达终端后相对延迟时间符合要求。由于利用了可编程器件FPGA和增强型单片机，延时模块不仅能较好地实现其功能，而且实现了系统的模块化和微型化，利于模块在系统中的使用和模块的二次开发。

系统结构及硬件设计

系统结构框图如图1。其硬件结构比较简单，主要由单片机P89C51RD、RS-232/TTL接口电路MAX232和可编程逻辑器件FPGA三部分组成。单片机P89C51RD2是上位PC机和FPGA的连接纽带，它通过并口发送数据给FPGA，另一边通过RS-232/TTL接口芯片与PC机进行串行通讯；PC机主要功能是实现延时调整的可视化操作；FPGA是延时调整处理的硬件实现，单片机将PC送过来的延时调整参数输入FPGA，FPGA在单片机的控制下对信号进行延迟处理，最后送入相应传输通道。某些系统使用现场存在较强的电磁干扰，模块的设计考虑信号隔离问题，故对串行接口进行了电气隔离，强化了PC机和模块通讯的安全系数。



延时模块正常上电后，单片机P89C51RD2首先从数据存储区读出最近一次存储的延迟时间、信号通道等参数，并转发到FPGA数据接口。FPGA根据接收到的参数，首先筛选出目标地址以便切换到对应的信号通道，然后再根据时间对该通道进行预定的延时，恢复先前调整好的延时信号。在模块运行期间，P89C51RD2实时监测、接收来自上位PC机发送的新延时数据。如果需要对某一路信号的延时量进行调节，通过PC机的串口发新数据，P89C51RD2中断收到新数据后，将数据分成两路处理：一路进入到单片机的数据存储区，待下次上电读取使用；另一路则转发至由FPGA控制的延时控制，实现信号的延迟时间调整。

块使用的P89C51RD2是PHILIPS公司内核基于8 位80C51单片机的派生产品，它们在完全保留80C51 指令系统和硬件结构的大框架外，还具有多方面的功能加强、扩展、翻新和创新，其中在应用中编程（IAP：In-Application Programming）是最显著特点之一。在应用中可编程是指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，即用程序来改变程序。P89C51RD2的IAP功能实现是通过PHILIPS 公司提供的BootROM 固件来完成的，它位于0FC00H?0FFFFH空间，与闪存空间重叠（见图2）。固件中已经固化有擦除和编程等子程序，PHILIPS 公司提供了寻址该固件的方法，只要用户程序简单调用BootROM中带适当参数的公共入口，即可实现所需要的操作。



P89C51RD2闪存结构见图2，它具有如下特点：

1. 其闪存空间是分块的64kB的闪存空间，共分5块，由低到高分别为8kB（BLOCK0）、8kB（BLOCK1）、16kB（BLOCK2）、16kB（BLOCK3）以及16kB（ BLOCK4）；

2. 每一块都可以单独擦除；

3. 在程序中可以调用IAP功能对闪存中的每一字节进行单独编程。

正是由于上述三个特点，在不外扩展存储器情况下，将程序空间剩余下的闪存空间作为数据空间，把单片机接收中断采集到的信号通道、延迟时间等参数存储下来，实现掉电数据保存。

软件设计

整个延时模块的软件包括了PC机发送参数程序，单片机接收并存储参数程序和FPGA信号延时处理程序。

PC机发送参数程序是用户将PC机的串口与模块连接，通过PC机的发送程序界面，很容易对信号进行延时调整。发送程序采用VC作为编程语言，调用串口控件，设计方便且界面简洁，界面如图3所示。发送的每个数据帧8位，包括延迟时间和信号通道两个参数，其中高三位是要调整的信号通道，后五位表示延迟的时间。发送程序中，对界面中的“+”或“?”进行一次操作，PC就通过串口向单片机连续发送8路信号延时参数，即只要调节了任一路信号的延时，PC机就会连续发送8个数据帧。



单片机软件设计

单片机主要完成与PC之间的通信，数据的存储和上电数据的读取。程序采用C51编写，编译采用当前编译效率最高的C51编译器KEIL。软件流程图见图4。



在P89C51RD2的64k闪存空间中，地址为0000H-7FFFH的32kB闪存空间作为程序空间，整个单片机程序编译后为15k，所以32k的程序空间足够大。余下的8000H?FFFFH的32kB 闪存空间留作数据存储空间。两块数据存储空间轮流使用，当数据量存满其中一块时通过程序跳转到另一块，在使用前先将该块擦除。

各函数介绍如下：

main()——主程序；

InitUart(void)——串口初始化；

IapInit(void）——IAP功能初始化，使用IAP功能前必调用；

PowerOnRead(void)——上电读取最近一次存储的参数。模块对上电时间要求不苛刻，最新数据的地址可通过查表方式寻找。每一个数据帧占一个数据存储空间，由于单片机每次中断都接收到8个数据帧，所以将每8个数据存储空间划分成一组，这样只要查询每组的头一个地址就能快捷地完成查询，大大节省了查询时间。

EraseBlock (uint AddressRestore)——判断当前数据存储空间块满，并擦除；

RestoreData(void)——数据存储在数据存储空间；

FPGADataUp(uchar DataRec)——更新FPGA接口数据。

在程序中，要多次调用BootROM固件中的子程序。由于IAP子程序接口是汇编语言，为了编写方便，同时使程序框架明了，编写了一个IAPLIB.A51汇编语言接口函数库和IAPLIB.H头文件。在程序中加上IAP.H头文件，调用固件程序时就不需在C51程序中嵌入汇编，而是像调用C语言函数一样简单，这大大简化了编程。