ARM7與FPGA相結合在工業(yè)控制和故障檢測中的應用

　　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（CycloneII）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(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?？刂菩酒獠恐袛嘣从邢蓿ǘ鄶禐?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(fā)，而中斷觸發(fā)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(fā)來的控制命令，然后通過地址總線和數據總線將命令狀態(tài)發(fā)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(tài)信號的收發(fā)，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(fā)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(fā)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(fā)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(tài)）到FPGA中。譯碼器有效輸出作為相應通道D觸發(fā)器的鎖存時鐘，而數據狀態(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(tài)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(tài)），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。

　　ARM配置及應用程序說明

　　1 處理器的資源分配

　　● 存儲器

　　AT91FR40162內嵌一個256KB的SRAM，1024K個16位字組成的Flash存儲器。SRAM通過內部32位數據總線與ARM核相連，單周期訪問，Flash存儲器則通過外部總線訪問。

　　● 系統外圍

　　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，地址線高4位與片選線（NCS4～7）復用，數據總線可配置成8/16位兩種模式與外設接口。

　　PIO：并口控制器，PIO控制32根I/O線，多數為復用引腳，可通過編程選擇為通用或專用。

　　AIC：先進中斷控制器，實現片內外圍中斷及4個外部中斷源中斷的管理，其外部中斷引腳與通用I/O復用。

　　● 用戶外圍

　　USART0～1：串口收發(fā)控制器，支持8個數據位的發(fā)送，可以進行異步/同步傳輸選擇，其片外引腳與通用I/O復用。

　　TC：定時/計數器，可以產生定時中斷和計數功能，其片外引腳與通用I/O復用。

　　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Flash上以加載初始化程序和應用程序。由于中斷和異常的入口地址是0～20H固定不變，它們的產生都是跳轉到0～20H之間相應的地址取程序執(zhí)行，為了加快中斷響應，必須將0～20H地址映射到片內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，內部RAM就映射到地址0，所有的中斷入口響應和堆棧操作都被映射到在RAM區(qū)進行。

　　由于重映射主要是用于Flash和片內RAM的地址空間交換，所以片內外圍接口(EBI、USART、TC)對應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）中設置外設訪問參數。其中，32位存儲器中包括數據總線寬度8（16）設置，等待狀態(tài)數目1～7個周期設置，等待使能（不是使能）設置，片選使能（不使能）設置。這里將FPGA作為外設，使能NCS3(也可根據實際選擇其他空閑片選線)，選擇總線寬度16，使能等待周期并設周期為5（根據調試選擇）。因默認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存儲器管理所有內外部中斷，對此存儲器的正確初始化賦值才會打開相應中斷。設定AIC工作參數：應用串口通信模式為異步模式，串口發(fā)送的數據位字符長度為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定定時長度為1s（每1s產生中斷進行故障查詢），定時通道使能及軟件觸發(fā)模式，定時中斷優(yōu)先級設為1。

　　4 應用程序說明

　　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入應用主程序，在主程序中首先調用EBI接口使能函數來設置參數：在程序中設置存儲器基地址值（0xFFE00000），片選設置0x3（NCS3使能），NCS3的存儲器初始化；調用USART控制器函數初始化串口：打開串口，串口收發(fā)通道初始化，設定串口通信速率；調用定時中斷函數：打開定時中斷，設置定時中斷時間，設定觸發(fā)方式為軟件觸發(fā)；最后進入等待循環(huán)。

　?、?串口命令接收中斷服務程序

　　#define USART0_INTERRUPT_LEVEL 6//設置中斷優(yōu)先級為6

　　#define AT91C_US_USMODE_NORMAL AT91C_US_CHMODE_NORMAL//*設置通信模式（NORMAL定義為異步模式）*//

　　AT91PS_USART COM0=AT91C_BASE_US0;//設置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

　　{ 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據

　　{

　　AT91F_US_DisableIt(USART_pt,AT91C_US_RXRDY);//關閉接收通道準備好中斷

　　AT91F_US_EnableIt(USART_pt,AT91C_US_ENDRX);//打開接收結束中斷

　　AT91F_US_ReceiveFrame(USART_pt,(char*)(message),4);//調用接收數據數接收數據

　　}

　　if ( status &AT91C_US_ENDRX){

　　AT91F_US_DisableIt(USART_pt,AT91C_US_ENDRX); // 關閉接收器傳送結束中斷

　　{ 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程序，各函數語句說明參見注釋。中斷級別設置為6（高于定時中斷），這樣使命令發(fā)送優(yōu)先于故障查詢（控制命令隨機出現而故障查詢總是循環(huán)進行）；接收緩沖區(qū)message[4]數組類型必須設為動態(tài)分配，靜態(tài)數據分配會使處理器開辟數據緩沖區(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應用程序的編寫中，應該盡量少的在主函數內使用循環(huán)操作，主函數主要完成各接口控制器應用初始化，因為主函數不間斷循環(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。

　　結語

　　ARM芯片控制功能結合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性在工程上體現出的其獨特的優(yōu)勢，已發(fā)展為一種流行的硬件架構模式，隨著芯片功能的不斷強大，這種優(yōu)勢將使其用途更廣，對任務處理變得更加靈活高效。