ARM7與FPGA相結(jié)合在工業(yè)控制和故障檢測(cè)中的應(yīng)用
工業(yè)控制中往往需要完成多通道故障檢測(cè)及多通道命令控制（這種多任務(wù)設(shè)置非常普遍）,，單獨(dú)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(lái)擴(kuò)展檢控通道是一個(gè)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(shí)現(xiàn)方法,。
各部分功能簡(jiǎn)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(guò)數(shù)據(jù)總線,、地址總線及讀寫(xiě)控制線相連，而與終端PC則通過(guò)串口通信,；FPGA與目標(biāo)設(shè)備通過(guò)命令控制總線和故障檢測(cè)總線相連,。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1 故障檢測(cè)和命令控制部分
故障檢測(cè)：檢測(cè)通道的故障（正常）信號(hào)以高（低）電平方式指示,，其一旦有故障產(chǎn)生就會(huì)保持高電平不變直到故障排除。針對(duì)這種特征,，在ARM控制器端采用定時(shí)中斷循環(huán)查詢方式來(lái)判斷故障通道的狀態(tài),。定時(shí)中斷程序通過(guò)對(duì)ARM 地址總線在FPGA中進(jìn)行譯碼而順序鎖定被檢測(cè)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(jī)查詢方式而不采用故障中斷方式出于兩個(gè)原因：一方面是通常控制芯片外部中斷源有限（多數(shù)為4個(gè)外部中斷源）,，對(duì)于多目標(biāo)中斷信號(hào)檢測(cè)顯然是困難的,；另一方面,，由于檢測(cè)通道或設(shè)備受到短時(shí)干擾而產(chǎn)生電平隨機(jī)反轉(zhuǎn),，造成故障中斷觸發(fā)，而中斷觸發(fā)后又無(wú)法在通道電平恢復(fù)正常時(shí)撤銷故障信號(hào),，故而形成虛假報(bào)警,。
命令控制：ARM芯片先判斷主控端發(fā)來(lái)的控制命令，然后通過(guò)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(cè)控制終端通信
由于只存在命令和故障狀態(tài)信號(hào)的收發(fā),，所以利用ARM的串口實(shí)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(guò),，在ARM芯片上要先將TTL電平通過(guò)MAX232芯片轉(zhuǎn)換為RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于距離超過(guò)15m的全雙工通信,，在發(fā)送接收兩端還要各加一對(duì)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(shuō)明
FPGA內(nèi)部檢測(cè)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(hào)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(gè)最大輸出為256路的譯碼模塊,，所以在實(shí)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(cè)通道,，讀寫(xiě)使能信號(hào)控制數(shù)據(jù)總線。
ARM芯片接收到發(fā)送信號(hào)編碼命令時(shí),，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(hào)）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(shí)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(shí)中斷產(chǎn)生進(jìn)入服務(wù)程序后對(duì)所有檢測(cè)通道輪流查詢,，查詢到有通道故障時(shí)，故障信號(hào)結(jié)合選中通路信號(hào)經(jīng)與非運(yùn)算送往數(shù)據(jù)端口被讀取,。
FPGA程序設(shè)計(jì)注意問(wèn)題
1延時(shí)的配置
通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行命令傳輸和故障檢測(cè)時(shí),，F(xiàn)PGA是作為ARM芯片的普通外設(shè)來(lái)使用的,。而ARM芯片對(duì)外設(shè)訪問(wèn)的速度要遠(yuǎn)低于片內(nèi)存儲(chǔ)器，所以要在ARM中設(shè)置訪問(wèn)的正確等待周期,。ARM中提供的延時(shí)周期為0～7個(gè),，通過(guò)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(shí)際測(cè)試設(shè)置為5個(gè),，具體的配置方法見(jiàn)ARM程序說(shuō)明,。
2 讀寫(xiě)使能信號(hào)的連接
從圖2中可以看出，寫(xiě)使能信號(hào)NWE及讀使能信號(hào)NRD應(yīng)作為數(shù)據(jù)線（DATA0～5）的三態(tài)控制信號(hào)連接,，即使在ARM芯片無(wú)其他外設(shè)時(shí)也不能缺省,。因?yàn)锳RM的上電加載程序時(shí)間要長(zhǎng)于同一系統(tǒng)上FPGA的程序配置時(shí)間，而FPGA的檢測(cè)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(huì)存有相應(yīng)通道的邏輯電平值（不為三態(tài)）,，這就會(huì)導(dǎo)致ARM芯片在對(duì)片內(nèi)Flash芯片燒寫(xiě)程序或上電加載程序時(shí)與FPGA沖突（數(shù)據(jù)被邏輯鎖定），造成無(wú)法正確定位操作對(duì)象而使讀寫(xiě)失敗,。
ARM配置及應(yīng)用程序說(shuō)明
1 處理器的資源分配
● 存儲(chǔ)器
AT91FR40162內(nèi)嵌一個(gè)256KB的SRAM,，1024K個(gè)16位字組成的Flash存儲(chǔ)器。SRAM通過(guò)內(nèi)部32位數(shù)據(jù)總線與ARM核相連,，單周期訪問(wèn),，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器則通過(guò)外部總線訪問(wèn)。
● 系統(tǒng)外圍
EBI：外部總線控制接口,，EBI可尋址64MB的空間,，通過(guò)8個(gè)片選線（NCS0～NCS3獨(dú)立）和24位地址線訪問(wèn)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(guò)編程選擇為通用或?qū)Ｓ谩?/p>
AIC：先進(jìn)中斷控制器，實(shí)現(xiàn)片內(nèi)外圍中斷及4個(gè)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(gè)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(shí)/計(jì)數(shù)器,，可以產(chǎn)生定時(shí)中斷和計(jì)數(shù)功能,，其片外引腳與通用I/O復(fù)用。
2 存儲(chǔ)器地址重映射后的空間分配
在CPU上電后,，都會(huì)從地址0開(kāi)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(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器編程地址范圍在映射前后不發(fā)生改變,，而訪問(wèn)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(chǔ)器配置
EBI存儲(chǔ)器：在8個(gè)EBI片選存儲(chǔ)器（EBI_CSR0～EBI_CSR7）中設(shè)置外設(shè)訪問(wèn)參數(shù),。其中,，32位存儲(chǔ)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(gè)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(shí)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(hào),、7個(gè)等待周期，故需在EBI_CSR0中選擇16位總線寬度,、7個(gè)等待周期并使能NCS0,。
AIC存儲(chǔ)器：AIC存儲(chǔ)器管理所有內(nèi)外部中斷，對(duì)此存儲(chǔ)器的正確初始化賦值才會(huì)打開(kāi)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(zhǎng)度為8位，通信的波特率9600B/s,，串口中斷優(yōu)先級(jí)為6（中斷優(yōu)先級(jí)由低到高0～7）,，接收發(fā)送通道使能。
TC存儲(chǔ)器：定時(shí)中斷存儲(chǔ)器需要設(shè)定定時(shí)長(zhǎng)度為1s（每1s產(chǎn)生中斷進(jìn)行故障查詢）,，定時(shí)通道使能及軟件觸發(fā)模式,，定時(shí)中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)為1,。
4 應(yīng)用程序說(shuō)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(chǔ)器初始化
Usart_init();//初始化串口
timer_init();//初始化定時(shí)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(lái)設(shè)置參數(shù)：在程序中設(shè)置存儲(chǔ)器基地址值（0xFFE00000）,，片選設(shè)置0x3（NCS3使能），NCS3的存儲(chǔ)器初始化,；調(diào)用USART控制器函數(shù)初始化串口：打開(kāi)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(shí)中斷函數(shù)：打開(kāi)定時(shí)中斷,，設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)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),。
② 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(jí)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(kāi)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?yàn)榇谥袛喾?wù)程序,，各函數(shù)語(yǔ)句說(shuō)明參見(jiàn)注釋,。中斷級(jí)別設(shè)置為6（高于定時(shí)中斷），這樣使命令發(fā)送優(yōu)先于故障查詢（控制命令隨機(jī)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(dòng)態(tài)分配,，靜態(tài)數(shù)據(jù)分配會(huì)使處理器開(kāi)辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)到Flash芯片中，從而引發(fā)在一個(gè)中斷處理程序中由于存取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致串口收發(fā)超時(shí)的錯(cuò)誤,。因?yàn)槠邢?，其他程序不再一一敘述?/p>
在ARM應(yīng)用程序的編寫(xiě)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?yàn)橹骱瘮?shù)不間斷循環(huán)操作不但會(huì)增加功耗，而且長(zhǎng)時(shí)間頻繁切換于中斷服務(wù)和主循環(huán)之間會(huì)造成程序運(yùn)行的不穩(wěn)定,，所以能用定時(shí)中斷完成的循環(huán)操作盡量用中斷完成,。
結(jié)語(yǔ)
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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)大,，這種優(yōu)勢(shì)將使其用途更廣，對(duì)任務(wù)處理變得更加靈活高效,。