ARM7与FPGA在工业控制中的结合应用

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。
　　FPGA程序设计注意问题
　　1延时的配置
　　通过地址总线和数据总线进行命令传输和故障检测时，FPGA是作为ARM芯片的普通外设来使用的。而ARM芯片对外设访问的速度要远低于片内存储器，所以要在ARM中设置访问的正确等待周期。ARM中提供的延时周期为0～7个，通过调试即可找到外设合适的等待周期，此系统的等待周期根据实际测试设置为5个，具体的配置方法见ARM程序说明。
　　2 读写使能信号的连接
　　从图2中可以看出，写使能信号NWE及读使能信号NRD应作为数据线（DATA0～5）的三态控制信号连接，即使在ARM芯片无其他外设时也不能缺省。因为ARM的上电加载程序时间要长于同一系统上FPGA的程序配置时间，而FPGA的检测及控制通道与ARM芯片的数据总线相连，FPGA加载完成后数据总线会存有相应通道的逻辑电平值（不为三态），这就会导致ARM芯片在对片内Flash芯片烧写程序或上电加载程序时与FPGA冲突（数据被逻辑锁定），造成无法正确定位操作对象而使读写失败。
ARM配置及应用程序说明

　　1 处理器的资源分配

　　● 存储器
　　AT91FR40162内嵌一个256KB的SRAM，1024K个16位字组成的Flash存储器。SRAM通过内部32位数据总线与ARM核相连，单周期访问，Flash存储器则通过外部总线访问。
　　● 系统外围
　　EBI：外部总线控制接口，EBI可寻址64MB的空间，通过8个片选线（NCS0～NCS3独立）和24位地址线访问外设，地址线高4位与片选线（NCS4～7）复用，数据总线可配置成8/16位两种模式与外设接口。

　　PIO：并口控制器，PIO控制32根I/O线，多数为复用引脚，可通过编程选择为通用或专用。

AIC：先进