ARM7與FPGA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），單獨的CPU芯片由于其外部控制接口數量有限而難以直接完成多路檢控任務，故利用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1 系統結構框圖

　　1 故障檢測和命令控制部分

　　故障檢測：檢測通道的故障（正常）信號以高（低）電平方式指示，其一旦有故障產生就會保持高電平不變直到故障排除。針對這種特征，在ARM控制器端采用定時中斷循環查詢方式來判斷故障通道的狀態。定時中斷程序通過對ARM 地址總線在FPGA中進行譯碼而順序鎖定被檢測通道的電平值，然后再經數據總線傳回ARM進行判斷，最后將判斷結果送至遠程終端。采用主機查詢方式而不采用故障中斷方式出于兩個原因：一方面是通常控制芯片外部中斷源有限（多數為4個外部中斷源），對于多目標中斷信號檢測顯然是困難的；另一方面，由于檢測通道或設備受到短時干擾而產生電平隨機反轉，造成故障中斷觸發，而中斷觸發后又無法在通道電平恢復正常時撤銷故障信號，故而形成虛假報警。

　　命令控制：ARM芯片先判斷主控端發來的控制命令，然后通過地址總線和數據總線將命令狀態發送至經FPGA地址譯碼鎖定的控制通道上。

　　2 ARM芯片與遠程檢測控制終端通信　　

　　由于只存在命令和故障狀態信號的收發，所以利用ARM的串口實現與遠程PC的通信，通信標準選為RS232標準。不過，在ARM芯片上要先將TTL電平通過MAX232芯片轉換為RS232電平標準，對于距離超過15m的全雙工通信，在發送接收兩端還要各加一對RS232轉RS422電平的轉換模塊，以增加通信距離。

　　3 FPGA內部功能模塊說明

　　FPGA內部檢測及控制電路結構關系如圖2所示。

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。