AT91FR40162與cyclone2在工業控制的結合

工業控制中往往需要完成多通道故障檢測及多通道命令控制（這種多任務設置非常普遍），利用ARM芯片與FPGA相結合來擴展檢控通道是一個非常好的選擇。這里介紹用Atmel公司ARM7處理器（AT91FR40162）和ALTERA公司的低成本FPGA芯片（cyclone2）結合使用完成多通道檢控任務的一種實現方法。
　　各部分功能簡介
　　圖1為此系統的結構連接框圖。如圖所示，ARM芯片與FPGA芯片之間通過數據總線、地址總線及讀寫控制線相連，而與終端PC則通過串口通信；FPGA與目標設備通過命令控制總線和故障檢測總線相連。

圖2 FPGA內部邏輯結構

　　ARM芯片的ADDR2～0位地址線和片選使能信號一同進入譯碼器decode1進行地址譯碼后產生8路輸出（FPGA內部可設置一個最大輸出為256路的譯碼模塊，所以在實際應用中可擴展為更多通道），低4路用于命令發送通道，高4路用于故障檢測通道，讀寫使能信號控制數據總線。
　　ARM芯片接收到發送信號編碼命令時，立即在串口接收中斷服務子程序中并送相應地址（通道編號）和數據（命令狀態）到FPGA中。譯碼器有效輸出作為相應通道D觸發器的鎖存時鐘，而數據狀態則被觸發器鎖定后作為所選通道的輸出完成相應控制。
　　ARM芯片在定時中斷產生進入服務程序后對所有檢測通道輪流查詢，查詢到有通道故障時，故障信號結合選中通路信號經與非運算送往數據端口被讀取。
　　FPGA程序設計注意問題
　　1延時的配置
　　通過地址總線和數據總線進行命令傳輸和故障檢測時，FPGA是作為ARM芯片的普通外設來使用的。而ARM芯片對外設訪問的速度要遠低于片內存儲器，所以要在ARM中設置訪問的正確等待周期。ARM中提供的延時周期為0～7個，通過調試即可找到外設合適的等待周期，此系統的等待周期根據實際測試設置為5個，具體的配置方法見ARM程序說明。
　　2 讀寫使能信號的連接
　　從圖2中可以看出，寫使能信號NWE及讀使能信號NRD應作為數據線（DATA0～5）的三態控制信號連接，即使在ARM芯片無其他外設時也不能缺省。因為ARM的上電加載程序時間要長于同一系統上FPGA的程序配置時間，而FPGA的檢測及控制通道與ARM芯片的數據總線相連，FPGA加載完成后數據總線會存有相應通道的邏輯電平值（不為三態），這就會導致ARM芯片在對片內Flash芯片燒寫程序或上電加載程序時與FPGA沖突（數據被邏輯鎖定），造成無法正確定位操作對象而使讀寫失敗。
　　ARM配置及應用程序說明

　　1 處理器的資源分配
　　● 存儲器
　　AT91FR40162內嵌一個256KB的SRAM，1024K個16位字組成的Flash存儲器。SRAM通過內部32位數據總線與ARM核相連，單周期訪問，Flash存儲器則通過外部總線訪問。
　　● 系統外圍
　　EBI：外部總線控制接口，EBI可尋址64MB的空間，通過8個片選線（NCS0～NCS3獨立）和24位地址線訪問外設，地址線高4位與片選線（NCS4～7）復用，數據總線可配置成8/16位兩種模式與外設接口。

　　PIO：并口控制器，PIO控制32根I/O線，多數為復用引腳，可通過編程選擇為通用或專用。

　　AIC：先進中斷控制器，實現片內外圍中斷及4個外部中斷源中斷的管理，其外部中斷引腳與通用I/O復用。
　　● 用戶外圍
　　USART0～1：串口收發控制器，支持8個數據位的發送，可以進行異步/同步傳輸選擇，其片外引腳與通用I/O復用。
　　TC：定時/計數器，可以產生定時中斷和計數功能，其片外引腳與通用I/O復用。
　　2 存儲器地址重映射后的空間分配

　　在CPU上電后，都會從地址0開始第一條指令代碼的執行，而上電復位后0地址必須映射到NCS0片選所接的器件上，這里必須將NCS0連接到片內Flash上以加載初始化程序和應用程序。由于中斷和異常的入口地址是0～20H固定不變，它們的產生都是跳轉到0～20H之間相應的地址取程序執行，為了加快中斷響應，必須將0～20H地址映射到片內RAM區，所以在初始化的重映射命令執行（EB1_RCR的RCB位置1）后，內部RAM就映射到地址0，所有的中斷入口響應和堆棧操作都被映射到在RAM區進行。

　　由于重映射主要是用于Flash和片內RAM的地址空間交換，所以片內外圍接口(EBI、USART、TC)對應的存儲器編程地址范圍在映射前后不發生改變，而訪問外設地址為重映射后所分配。重映射后地址分配如表1所示。
　　3 應用接口的存儲器配置
　　EBI存儲器：在8個EBI片選存儲器（EBI_CSR0～EBI_CSR7）中設置外設訪問參數。其中，32位存儲器中包括數據總線寬度8（16）設置，等待狀態數目1～7個周期設置，等待使能（不是使能）設置，片選使能（不使能）設置。這里將FPGA作為外設，使能NCS3(也可根據實際選擇其他空閑片選線)，選擇總線寬度16，使能等待周期并設周期為5（根據調試選擇）。因默認NCS0為加載Flash片選線，而Flash為16位信號、7個等待周期，故需在EBI_CSR0中選擇16位總線寬度、7個等待周期并使能NCS0。
　　AIC存儲器：AIC存儲器管理所有內外部中斷，對此存儲器的正確初始化賦值才會打開相應中斷。設定AIC工作參數：應用串口通信模式為異步模式，串口發送的數據位字符長度為8位，通信的波特率9600B/s，串口中斷優先級為6（中斷優先級由低到高0～7），接收發送通道使能。
　　TC存儲器：定時中斷存儲器需要設定定時長度為1s（每1s產生中斷進行故障查詢），定時通道使能及軟件觸發模式，定時中斷優先級設為1。