摘  要： 選用FPGA來控制織機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的外圍電路，以Altera公司的Cyclone EP1C12Q240作為核心芯片，EPCS4作為系統(tǒng)的配置芯片，在SoPC上集成了軟核CPU、鎖相環(huán)、存儲(chǔ)器、I/O接口及可編程邏輯，并在Quartus II和Nios II IDE平臺(tái)上運(yùn)行。通過在某紡織廠現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對織機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，達(dá)到了預(yù)期的目的。
關(guān)鍵詞： 織機(jī)；監(jiān)測系統(tǒng)；FPGA；數(shù)據(jù)采集；SoPC

　紡織業(yè)是勞動(dòng)密集程度高、對外依存度較高的產(chǎn)業(yè)，它對我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮著不可替代的支柱性作用。紡織企業(yè)生產(chǎn)車間的特點(diǎn)是多機(jī)生產(chǎn)，少則幾十臺(tái)，多則幾百臺(tái)織機(jī)，因此，織機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)具有不容忽視的意義。本設(shè)計(jì)針對某紡織廠目前的織機(jī)監(jiān)測現(xiàn)狀進(jìn)行了改進(jìn)，該廠目前采用單片機(jī)控制外圍電路，然而單片機(jī)的時(shí)鐘頻率較低，很難滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。經(jīng)分析研究，若選用DSP來控制外圍電路，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，但成本頗高。因此，采用FPGA作為主控芯片，應(yīng)用Nios II處理器控制外圍電路，在滿足高速數(shù)據(jù)采集和處理的同時(shí)，有利于系統(tǒng)的不斷升級。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　織機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測主要完成基本功能和輔助功能?；竟δ馨棛C(jī)主要工作狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測；輔助功能主要由上位機(jī)完成，包括友好美觀的人機(jī)界面、記錄每班的生產(chǎn)效率和織機(jī)各種狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)變化、能夠供管理員或用戶隨時(shí)查詢及打印報(bào)表。
　系統(tǒng)工作過程為：上電后，首先對FPGA的主控模塊進(jìn)行初始化，F(xiàn)PGA的主控模塊采集織機(jī)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。在這一過程中，織機(jī)自帶的顯示屏?xí)磿r(shí)顯示各工藝參數(shù)。當(dāng)上位機(jī)向CAN總線發(fā)送讀取每個(gè)節(jié)點(diǎn)織機(jī)狀態(tài)參數(shù)的命令后，F(xiàn)PGA的主控模塊將織機(jī)機(jī)臺(tái)號、引緯率、產(chǎn)量及停機(jī)時(shí)數(shù)等主要工作參數(shù)寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)，啟動(dòng)發(fā)送命令傳送給上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理。總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　FPGA的主控系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)基于Nios II處理器的SoPC系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)采集工作，包括織機(jī)的產(chǎn)量、運(yùn)轉(zhuǎn)率、引緯率和停機(jī)時(shí)數(shù)等。其硬件平臺(tái)主要以Altera公司的Cyclone系列EP1C12Q240 FPGA為核心芯片，由系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備SDRAM和Flash、系統(tǒng)時(shí)鐘、串行配置芯片、I/O口、FPGA配制接口組成等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器采用4 MB的Am291V320D；SDRAM采用HY57V283220T；串行配置芯片采用Altera的EPCS4；具有JTAG接口和AS接口，通過AS接口直接對EPCS4器件進(jìn)行快速編程；采用有源晶體振蕩電路產(chǎn)生50 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘；電源有5 V、3.3 V和1.5 V。

2.1 外部存儲(chǔ)器
2.1.1 Flash電路
　在FPGA器件實(shí)現(xiàn)的Nios II嵌入式處理器可以使用Flash存儲(chǔ)器作為通用只讀存儲(chǔ)器和大容量非易失性存儲(chǔ)器，用戶可以將基于Nios II嵌入式處理器的應(yīng)用程序通過編程器燒寫到Flash中，在程序運(yùn)行前將Flash中的代碼復(fù)制到其他速度更快的非易失性存儲(chǔ)器SDRAM中，然后執(zhí)行。
　本系統(tǒng)選用的Flash是Am291v320，它是1 M×16 bit的CMOS工藝的Flash存儲(chǔ)器，采用48腳TSOP封裝，其工作電壓為3.3 V。Flash存儲(chǔ)電路如圖3所示，其中10腳、11腳、13腳和24腳均接有4.7 k?贅上拉電阻，因此Am291v320不采用字節(jié)方式。
2.1.2 SDRAM接口電路
　在SoPC系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，由于FPGA片內(nèi)的RAM容量一般不能滿足需要，都需要外接SDRAM。SDRAM成本低、容量大，但需要實(shí)現(xiàn)刷新操作、行列管理、不同延時(shí)和命令序列等邏輯。SDRAM的操作都是由時(shí)鐘作為同步，可以理解為一個(gè)電容，總是傾向于放電，為了避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)刷新。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。
　本系統(tǒng)中選用的SDRAM是HY57V283220T，存儲(chǔ)容量為1 M×32 bit×4 Banks，4個(gè)Bank間可以通過Bank地址來選擇，其工作電壓為3.3 V。一個(gè)片鎖相環(huán)常被用于SDRAM控制器核與SDRAM芯片之間的時(shí)鐘相位調(diào)整。SDRAM接口電路如圖4所示。

2.2 串行通信接口

　UART是通用串行收發(fā)器，UART串行通信接口是嵌入式系統(tǒng)最常用的接口，完成與上位機(jī)或其他外部設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。Altera公司的UART IP核至少有2個(gè)I/O口，即RXD和TXD。RXD為輸入引腳，用來接收數(shù)據(jù)；TXD為輸出引腳，用來發(fā)送數(shù)據(jù)。UART IP核可以通過配制來適應(yīng)任意波特率的RS232口。
　由于RS232C標(biāo)準(zhǔn)與Altera的FPGA系列器件I/O LVTTL標(biāo)準(zhǔn)所定義的高、低電平完全不同，前者在電氣上采用負(fù)邏輯方式，因此，兩者之間要進(jìn)行通信，必須經(jīng)過電平的轉(zhuǎn)換才可以實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)選用SP3232E，參考電平為3.3 V。
2.3 配置電路
　Cyclone FPGA的配制方式有主動(dòng)配置模式（AS）、被動(dòng)配置模式和JTAG配置模式。
?。?）AS調(diào)試接口
　在AS配制模式下，系統(tǒng)使用EPCS4串行配制器件對Cyclone FPGA進(jìn)行配制。在FPGA配制期間，F(xiàn)PGA通過串行接口讀配制數(shù)據(jù)，解壓縮數(shù)據(jù)，然后配制SDRAM單元，在AS配制模式下，F(xiàn)PGA主動(dòng)控制配制接口。
?。?）JTAG調(diào)試接口
　JTAG是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。JTAG測試允許多個(gè)器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對各個(gè)器件分別測試。
　根據(jù)IEEE1149.1-1990標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的JTAG接口有TCK、TDI、TDO、TMS和TRST 5個(gè)引腳，通常TRST閑置。將Byte Blaster II的下載電纜直接連接到JTAG接口，通過Quartus II軟件直接對FPGA進(jìn)行配置。若采用AS方式和JTAG方式同時(shí)對FPGA進(jìn)行配置，JTAG方式的優(yōu)先級高，停止AS方式配置。JTAG模式使用TCK、TDI、TDO和TMS 4個(gè)專門的信號引腳具體的接口電路連接關(guān)系如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是SoPC數(shù)據(jù)采集與處理模塊程序，它們主要由單臺(tái)的織機(jī)控制來完成。FPGA的Nios II處理器收到上位機(jī)傳送的命令后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)的幀格式向上位機(jī)發(fā)送。SoPC上集成了軟核CPU、鎖相環(huán)、存儲(chǔ)器、I/O接口及可編程邏輯，這部分在Quartus II和Nios II IDE平臺(tái)上運(yùn)行。利用SoPC Builder創(chuàng)建和配置了Nios II軟核處理器及其外設(shè)，用VC++和VHDL語言完成程序編寫。
    系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)測效果如圖6所示。

　本文分析了遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)，根據(jù)紡織廠的實(shí)際要求，著重考慮了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、靈活性及高速處理能力。因此，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，用FPGA模塊即基于Nios II的SoPC系統(tǒng)代替單片機(jī)來控制外圍電路工作。經(jīng)過詳細(xì)測試和驗(yàn)證，本系統(tǒng)做到了及時(shí)采集織機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，使管理層全面快速了解生產(chǎn)情況和歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了向上可以兼容紡織廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)，向下可以兼容不同設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)。最后，通過在紡織廠的現(xiàn)場調(diào)試，成功與上位機(jī)進(jìn)行通信，基本達(dá)到了初期設(shè)定的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[2] 褚鎮(zhèn)勇.FPGA設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.
[3] 任愛鋒，初秀琴，常存，等.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.
[4] 張志剛.FPGA與SoPC設(shè)計(jì)教程——DE2實(shí)踐[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.
[5] 周潤景，圖雅，張麗敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.