基于CYGNAL單片機和FPGA的舞臺吊桿控制器的設計

　　2．2 單片機控制系統

　　單片機控制系統主要由C8051F020單片機組成，主要完成數據的接收與處理。C8051F020的特點是運算速度快、集成度高、引腳可配置、工作穩定和可靠性高。它完全能夠滿足舞臺吊桿控制器對存儲器容量、多種總線接口、處理速度和浮點運算等方面的要求。

　　C8051F020單片機有UART0和UART1兩個串口，其中，串口UART0與LCD顯示器連接，用于把舞臺吊桿運行時的位置數據送給LCD顯示器。單片機利用它的SMBUS接口連接帶有I2C總線接口的E2PROM（FM24C64鐵片存儲器），把現場數據存入存儲器，以備在掉電后得新上電時能夠讀出吊桿的當前位置，連續控制吊桿的運動；同時利用它的普通I/O口與網卡芯片RTL8019和FPGA控制器相連，實現數據的收發。

　　2．3 FPGA控制器的設計

　　FPGA控制器是利用EDA方法實現的，主要用 于對霍爾傳感器過來的脈沖進行計數并控制電機。由于吊桿運動過程中產生的脈沖頻率高，FPGA控制器計數量大，所以本設計選擇了高容量、高性能的可編程邏輯器件，即ALTERA公司的FLEX 10K系列FPGA。

　　2．3．1 FPGA控制器的模塊劃分

　　根據系統功能要墳，FPGA控制器的頂層模塊被劃分為以下四個模塊：兩個5-32譯碼器、八路與門模塊、八路16位可逆并行計數模塊、電機控制模塊，如圖3所示。

　　兩個5-32譯碼器模塊的功能是提供與單片機的接口，實現可編程接口邏輯。八路計數模塊（COUNTER8_FILE_LAST模塊）包括八個單路計數模塊、數據轉換模塊等，其功能是對霍爾傳感器過來的八路脈沖信號進行可逆計數并完成16位數據與8位數據之間的轉換。由于C8051F020單片機的數據長度是8位，而計數模塊完成的是16位墳數，所以必須進行數據位數的轉換。

　　2．3．2 FPGA模塊的功能仿真

　　FPGA控制器是用ALTERA公司的FLEX10K10芯片，在MAX+PLUSII軟件中進行設計綜合的。根據上述的模塊劃分，在MAX+PLUSII中的仿真波形圖如圖4所示。

　　3 舞臺吊桿控制器的軟件設計

　　舞臺吊桿控制器的軟件主要包括：主程序、UDP數據的傳輸與解析程序、串口數據的發送程序、數據存儲程序等。

　　3．1 通信協議設計

　　在舞臺吊桿控制系統中，遠程控制端通過局域網采用UDP/IP協議給舞臺吊桿控制器發送命令并接收來自控制器的數據包。UDP/IP數據包的格式如下：

　　在使用該協議時，命令信息和狀態數據都在UDP DATA數據區。為了完成控制目的，必須對這塊數據區的數據制定協議，協議格式如表1所示。

　　表1 協議格式