ARM7與FPGA相結(jié)合在工業(yè)控制和故障檢測中的應(yīng)用
工業(yè)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(wù)設(shè)置非常普遍），單獨的CPU芯片由于其外部控制接口數(shù)量有限而難以直接完成多路檢控任務(wù)，故利用ARM芯片與FPGA相結(jié)合來擴(kuò)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（CycloneII）結(jié)合使用完成多通道檢控任務(wù)的一種實現(xiàn)方法。
各部分功能簡介
圖1為此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接框圖。如圖所示，ARM芯片與FPGA芯片之間通過數(shù)據(jù)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(biāo)設(shè)備通過命令控制總線和故障檢測總線相連。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(huán)查詢方式來判斷故障通道的狀態(tài)。定時中斷程序通過對ARM 地址總線在FPGA中進(jìn)行譯碼而順序鎖定被檢測通道的電平值，然后再經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳回ARM進(jìn)行判斷，最后將判斷結(jié)果送至遠(yuǎn)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?？刂菩酒獠恐袛嘣从邢蓿ǘ鄶?shù)為4個外部中斷源），對于多目標(biāo)中斷信號檢測顯然是困難的；另一方面，由于檢測通道或設(shè)備受到短時干擾而產(chǎn)生電平隨機反轉(zhuǎn)，造成故障中斷觸發(fā)，而中斷觸發(fā)后又無法在通道電平恢復(fù)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(fā)來的控制命令，然后通過地址總線和數(shù)據(jù)總線將命令狀態(tài)發(fā)送至經(jīng)FPGA地址譯碼鎖定的控制通道上。
2 ARM芯片與遠(yuǎn)程檢測控制終端通信
由于只存在命令和故障狀態(tài)信號的收發(fā)，所以利用ARM的串口實現(xiàn)與遠(yuǎn)程PC的通信，通信標(biāo)準(zhǔn)選為RS232標(biāo)準(zhǔn)。不過，在ARM芯片上要先將TTL電平通過MAX232芯片轉(zhuǎn)換為RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，對于距離超過15m的全雙工通信，在發(fā)送接收兩端還要各加一對RS232轉(zhuǎn)RS422電平的轉(zhuǎn)換模塊，以增加通信距離。
3 FPGA內(nèi)部功能模塊說明
FPGA內(nèi)部檢測及控制電路結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。
圖2 FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)
ARM芯片的ADDR2～0位地址線和片選使能信號一同進(jìn)入譯碼器decode1進(jìn)行地址譯碼后產(chǎn)生8路輸出（FPGA內(nèi)部可設(shè)置一個最大輸出為256路的譯碼模塊，所以在實際應(yīng)用中可擴(kuò)展為更多通道），低4路用于命令發(fā)送通道，高4路用于故障檢測通道，讀寫使能信號控制數(shù)據(jù)總線。
ARM芯片接收到發(fā)送信號編碼命令時，立即在串口接收中斷服務(wù)子程序中并送相應(yīng)地址（通道編號）和數(shù)據(jù)（命令狀態(tài)）到FPGA中。譯碼器有效輸出作為相應(yīng)通道D觸發(fā)器的鎖存時鐘，而數(shù)據(jù)狀態(tài)則被觸發(fā)器鎖定后作為所選通道的輸出完成相應(yīng)控制。
ARM芯片在定時中斷產(chǎn)生進(jìn)入服務(wù)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(jié)合選中通路信號經(jīng)與非運算送往數(shù)據(jù)端口被讀取。
FPGA程序設(shè)計注意問題
1延時的配置
通過地址總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行命令傳輸和故障檢測時，F(xiàn)PGA是作為ARM芯片的普通外設(shè)來使用的。而ARM芯片對外設(shè)訪問的速度要遠(yuǎn)低于片內(nèi)存儲器，所以要在ARM中設(shè)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(diào)試即可找到外設(shè)合適的等待周期，此系統(tǒng)的等待周期根據(jù)實際測試設(shè)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(yīng)作為數(shù)據(jù)線（DATA0～5）的三態(tài)控制信號連接，即使在ARM芯片無其他外設(shè)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(tǒng)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(shù)據(jù)總線相連，F(xiàn)PGA加載完成后數(shù)據(jù)總線會存有相應(yīng)通道的邏輯電平值（不為三態(tài)），這就會導(dǎo)致ARM芯片在對片內(nèi)Flash芯片燒寫程序或上電加載程序時與FPGA沖突（數(shù)據(jù)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(yīng)用程序說明
1 處理器的資源分配
● 存儲器
AT91FR40162內(nèi)嵌一個256KB的SRAM，1024K個16位字組成的Flash存儲器。SRAM通過內(nèi)部32位數(shù)據(jù)總線與ARM核相連，單周期訪問，F(xiàn)lash存儲器則通過外部總線訪問。
● 系統(tǒng)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(shè)，地址線高4位與片選線（NCS4～7）復(fù)用，數(shù)據(jù)總線可配置成8/16位兩種模式與外設(shè)接口。
PIO：并口控制器，PIO控制32根I/O線，多數(shù)為復(fù)用引腳，可通過編程選擇為通用或?qū)Ｓ谩?/p>
AIC：先進(jìn)中斷控制器，實現(xiàn)片內(nèi)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(fù)用。
● 用戶外圍
USART0～1：串口收發(fā)控制器，支持8個數(shù)據(jù)位的發(fā)送，可以進(jìn)行異步/同步傳輸選擇，其片外引腳與通用I/O復(fù)用。
TC：定時/計數(shù)器，可以產(chǎn)生定時中斷和計數(shù)功能，其片外引腳與通用I/O復(fù)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(zhí)行，而上電復(fù)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(nèi)Flash上以加載初始化程序和應(yīng)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(chǎn)生都是跳轉(zhuǎn)到0～20H之間相應(yīng)的地址取程序執(zhí)行，為了加快中斷響應(yīng)，必須將0～20H地址映射到片內(nèi)RAM區(qū)，所以在初始化的重映射命令執(zhí)行（EB1_RCR的RCB位置1）后，內(nèi)部RAM就映射到地址0，所有的中斷入口響應(yīng)和堆棧操作都被映射到在RAM區(qū)進(jìn)行。
由于重映射主要是用于Flash和片內(nèi)RAM的地址空間交換，所以片內(nèi)外圍接口(EBI、USART、TC)對應(yīng)的存儲器編程地址范圍在映射前后不發(fā)生改變，而訪問外設(shè)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(yīng)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(shè)置外設(shè)訪問參數(shù)。其中，32位存儲器中包括數(shù)據(jù)總線寬度8（16）設(shè)置，等待狀態(tài)數(shù)目1～7個周期設(shè)置，等待使能（不是使能）設(shè)置，片選使能（不使能）設(shè)置。這里將FPGA作為外設(shè)，使能NCS3(也可根據(jù)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(shè)周期為5（根據(jù)調(diào)試選擇）。因默認(rèn)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(nèi)外部中斷，對此存儲器的正確初始化賦值才會打開相應(yīng)中斷。設(shè)定AIC工作參數(shù)：應(yīng)用串口通信模式為異步模式，串口發(fā)送的數(shù)據(jù)位字符長度為8位，通信的波特率9600B/s，串口中斷優(yōu)先級為6（中斷優(yōu)先級由低到高0～7），接收發(fā)送通道使能。
TC存儲器：定時中斷存儲器需要設(shè)定定時長度為1s（每1s產(chǎn)生中斷進(jìn)行故障查詢），定時通道使能及軟件觸發(fā)模式，定時中斷優(yōu)先級設(shè)為1。
4 應(yīng)用程序說明
① 主程序
#define AT91C_BASE_EBI ((AT91PS_EBI) 0xFFE00000) //EBI基地址定義
int main()
{AT91F_EBI_OpenChipSelect (
AT91C_BASE_EBI, //地址指針
0x3, //片NCS3使能
0x30000000+0x3f39); //片選存儲器初始化
Usart_init();//初始化串口
timer_init();//初始化定時器
while(1){} //循環(huán)等待
}
ARM處理器在完成各寄存器初始化后進(jìn)入應(yīng)用主程序，在主程序中首先調(diào)用EBI接口使能函數(shù)來設(shè)置參數(shù)：在程序中設(shè)置存儲器基地址值（0xFFE00000），片選設(shè)置0x3（NCS3使能），NCS3的存儲器初始化；調(diào)用USART控制器函數(shù)初始化串口：打開串口，串口收發(fā)通道初始化，設(shè)定串口通信速率；調(diào)用定時中斷函數(shù)：打開定時中斷，設(shè)置定時中斷時間，設(shè)定觸發(fā)方式為軟件觸發(fā)；最后進(jìn)入等待循環(huán)。
?、?串口命令接收中斷服務(wù)程序
#define USART0_INTERRUPT_LEVEL 6//設(shè)置中斷優(yōu)先級為6
#define AT91C_US_USMODE_NORMAL AT91C_US_CHMODE_NORMAL//*設(shè)置通信模式（NORMAL定義為異步模式）*//
AT91PS_USART COM0=AT91C_BASE_US0;//設(shè)置COM0為收發(fā)口
char message[4];
// 控制端串口中斷通信程序 //
//*----------------------------------------------------------------------------*//
void Usart0_c_irq_handler(AT91PS_USART USART_pt)//串口中斷處理函數(shù)
{ volatile unsigned int *conp;unsigned int status;
int time;
volatile unsigned int i;
status = USART_pt->US_CSR &USART_pt->US_IMR;//給狀態(tài)寄存器賦初值
if ( status &AT91C_US_RXRDY)//接收通道寄存器判斷是否有數(shù)據(jù)
{
AT91F_US_DisableIt(USART_pt,AT91C_US_RXRDY);//關(guān)閉接收通道準(zhǔn)備好中斷
AT91F_US_EnableIt(USART_pt,AT91C_US_ENDRX);//打開接收結(jié)束中斷
AT91F_US_ReceiveFrame(USART_pt,(char*)(message),4);//調(diào)用接收數(shù)據(jù)數(shù)接收數(shù)據(jù)
}
if ( status &AT91C_US_ENDRX){
AT91F_US_DisableIt(USART_pt,AT91C_US_ENDRX); // 關(guān)閉接收器傳送結(jié)束中斷
{ if((message[0]^0xff)==message[1])//判斷接收代碼
{switch (message[0])
{case 0x31 : {conp=(volatile unsigned int*)(0x1+0x30000000);//OPE1使能
*conp=0x2;}; break;//0x31代碼送往OPE1端口
case 0x30 : {conp=(volatile unsigned int*)(0x2+0x30000000);//OPE2使能
*conp=0x1;}; break; // 0x30代碼送往OPE2端口
case 0x11 : {conp=(volatile unsigned int*)(0x3+0x30000000);//OPE3使能
*conp=0x2;};break;// 0x11代碼則往OPE3端口
case 0x10 : {conp=(volatile unsigned int*)(0x4+0x30000000);//OPE4使能
*conp=0x1;};break; //0x10代碼送往OPE4端口
default:break;}
}
}
以上程序為串口中斷服務(wù)程序，各函數(shù)語句說明參見注釋。中斷級別設(shè)置為6（高于定時中斷），這樣使命令發(fā)送優(yōu)先于故障查詢（控制命令隨機出現(xiàn)而故障查詢總是循環(huán)進(jìn)行）；接收緩沖區(qū)message[4]數(shù)組類型必須設(shè)為動態(tài)分配，靜態(tài)數(shù)據(jù)分配會使處理器開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)到Flash芯片中，從而引發(fā)在一個中斷處理程序中由于存取時間過長而導(dǎo)致串口收發(fā)超時的錯誤。因為篇幅有限，其他程序不再一一敘述。
在ARM應(yīng)用程序的編寫中，應(yīng)該盡量少的在主函數(shù)內(nèi)使用循環(huán)操作，主函數(shù)主要完成各接口控制器應(yīng)用初始化，因為主函數(shù)不間斷循環(huán)操作不但會增加功耗，而且長時間頻繁切換于中斷服務(wù)和主循環(huán)之間會造成程序運行的不穩(wěn)定，所以能用定時中斷完成的循環(huán)操作盡量用中斷完成。
結(jié)語
ARM芯片控制功能結(jié)合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性在工程上體現(xiàn)出的其獨特的優(yōu)勢，已發(fā)展為一種流行的硬件架構(gòu)模式，隨著芯片功能的不斷強大，這種優(yōu)勢將使其用途更廣，對任務(wù)處理變得更加靈活高效。