基于單片機與FPGA可調延時模塊的設計

系統結構框圖如圖1。其硬件結構比較簡單，主要由單片機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P89C51RD2是上位PC機和FPGA的連接紐帶，它通過并口發送數據給FPGA，另一邊通過RS-232/TTL接口芯片與PC機進行串行通訊;PC機主要功能是實現延時調整的可視化操作;FPGA是延時調整處理的硬件實現，單片機將PC送過來的延時調整參數輸入FPGA，FPGA在單片機的控制下對信號進行延遲處理，最后送入相應傳輸通道。某些系統使用現場存在較強的電磁干擾，模塊的設計考慮信號隔離問題，故對串行接口進行了電氣隔離，強化了PC機和模塊通訊的安全系數。

　　延時模塊正常上電后，單片機P89C51RD2首先從數據存儲區讀出最近一次存儲的延遲時間、信號通道等參數，并轉發到FPGA數據接口。FPGA根據接收到的參數，首先篩選出目標地址以便切換到對應的信號通道，然后再根據時間對該通道進行預定的延時，恢復先前調整好的延時信號。在模塊運行期間，P89C51RD2實時監測、接收來自上位PC機發送的新延時數據。如果需要對某一路信號的延時量進行調節，通過PC機的串口發新數據，P89C51RD2中斷收到新數據后，將數據分成兩路處理：一路進入到單片機的數據存儲區，待下次上電讀取使用;另一路則轉發至由FPGA控制的延時控制，實現信號的延遲時間調整。

　　塊使用的P89C51RD2是PHILIPS公司內核基于8 位80C51單片機的派生產品，它們在完全保留80C51 指令系統和硬件結構的大框架外，還具有多方面的功能加強、擴展、翻新和創新，其中在應用中編程(IAP：In-Application Programming)是最顯著特點之一。在應用中可編程是指MCU可以在系統中獲取新代碼并對自己重新編程，即用程序來改變程序。P89C51RD2的IAP功能實現是通過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用BootROM中帶適當參數的公共入口，即可實現所需要的操作。

P89C51RD2閃存結構見圖2，它具有如下特點：

　　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. 每一塊都可以單獨擦除;

　　3. 在程序中可以調用IAP功能對閃存中的每一字節進行單獨編程。

　　正是由于上述三個特點，在不外擴展存儲器情況下，將程序空間剩余下的閃存空間作為數據空間，把單片機接收中斷采集到的信號通道、延遲時間等參數存儲下來，實現掉電數據保存。

　　軟件設計

　　整個延時模塊的軟件包括了PC機發送參數程序，單片機接收并存儲參數程序和FPGA信號延時處理程序。

　　PC機發送參數程序是用戶將PC機的串口與模塊連接，通過PC機的發送程序界面，很容易對信號進行延時調整。發送程序采用VC作為編程語言，調用串口控件，設計方便且界面簡潔，界面如圖3所示。發送的每個數據幀8位，包括延遲時間和信號通道兩個參數，其中高三位是要調整的信號通道，后五位表示延遲的時間。發送程序中，對界面中的“+”或“?”進行一次操作，PC就通過串口向單片機連續發送8路信號延時參數，即只要調節了任一路信號的延時，PC機就會連續發送8個數據幀。

　　單片機軟件設計

　　單片機主要完成與PC之間的通信，數據的存儲和上電數據的讀取。程序采用C51編寫，編譯采用當前編譯效率最高的C51編譯器KEIL。軟件流程圖見圖4。