??????? 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），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（cyclone2）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(jī)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(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(jī)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。