基于P89C52RD2和FPGA的可調(diào)延時(shí)模塊設(shè)計(jì)

　　引言

　　基于P89C51RD2和FPGA的信號(hào)延時(shí)模塊主要用在傳輸時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)字同步信號(hào)等對(duì)信號(hào)延遲有高要求的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)中，它可對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)的適當(dāng)延時(shí)調(diào)整。造成信號(hào)的延遲原因有：不同的傳輸線路、信號(hào)處理時(shí)間不同以及器件速度存在差異等。無論何種原因，延時(shí)模塊可以對(duì)輸入的已存在有延時(shí)積累的信號(hào)進(jìn)行不同精度、不同范圍的延時(shí)量調(diào)節(jié)，使信號(hào)到達(dá)終端后相對(duì)延遲時(shí)間符合要求。由于利用了可編程器件FPGA和增強(qiáng)型單片機(jī)，延時(shí)模塊不僅能較好地實(shí)現(xiàn)其功能，而且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化和微型化，利于模塊在系統(tǒng)中的使用和模塊的二次開發(fā)。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。其硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由單片機(jī)P89C51RD、RS-232/TTL接口電路MAX232和可編程邏輯器件FPGA三部分組成。單片機(jī)P89C51RD2是上位PC機(jī)和FPGA的連接紐帶，它通過并口發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA，另一邊通過RS-232/TTL接口芯片與PC機(jī)進(jìn)行串行通訊；PC機(jī)主要功能是實(shí)現(xiàn)延時(shí)調(diào)整的可視化操作；FPGA是延時(shí)調(diào)整處理的硬件實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)將PC送過來的延時(shí)調(diào)整參數(shù)輸入FPGA，F(xiàn)PGA在單片機(jī)的控制下對(duì)信號(hào)進(jìn)行延遲處理，最后送入相應(yīng)傳輸通道。某些系統(tǒng)使用現(xiàn)場(chǎng)存在較強(qiáng)的電磁干擾，模塊的設(shè)計(jì)考慮信號(hào)隔離問題，故對(duì)串行接口進(jìn)行了電氣隔離，強(qiáng)化了PC機(jī)和模塊通訊的安全系數(shù)。

　　延時(shí)模塊正常上電后，單片機(jī)P89C51RD2首先從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)讀出最近一次存儲(chǔ)的延遲時(shí)間、信號(hào)通道等參數(shù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到FPGA數(shù)據(jù)接口。FPGA根據(jù)接收到的參數(shù)，首先篩選出目標(biāo)地址以便切換到對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道，然后再根據(jù)時(shí)間對(duì)該通道進(jìn)行預(yù)定的延時(shí)，恢復(fù)先前調(diào)整好的延時(shí)信號(hào)。在模塊運(yùn)行期間，P89C51RD2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、接收來自上位PC機(jī)發(fā)送的新延時(shí)數(shù)據(jù)。如果需要對(duì)某一路信號(hào)的延時(shí)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過PC機(jī)的串口發(fā)新數(shù)據(jù)，P89C51RD2中斷收到新數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)分成兩路處理：一路進(jìn)入到單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，待下次上電讀取使用；另一路則轉(zhuǎn)發(fā)至由FPGA控制的延時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的延遲時(shí)間調(diào)整。

　　塊使用的P89C51RD2是PHILIPS公司內(nèi)核基于8 位80C51單片機(jī)的派生產(chǎn)品，它們?cè)谕耆Ａ?0C51 指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的大框架外，還具有多方面的功能加強(qiáng)、擴(kuò)展、翻新和創(chuàng)新，其中在應(yīng)用中編程（IAP：In-Application Programming）是最顯著特點(diǎn)之一。在應(yīng)用中可編程是指MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對(duì)自己重新編程，即用程序來改變程序。P89C51RD2的IAP功能實(shí)現(xiàn)是通過PHILIPS 公司提供的BootROM 固件來完成的，它位于0FC00H?0FFFFH空間，與閃存空間重疊（見圖2）。固件中已經(jīng)固化有擦除和編程等子程序，PHILIPS 公司提供了尋址該固件的方法，只要用戶程序簡(jiǎn)單調(diào)用BootROM中帶適當(dāng)參數(shù)的公共入口，即可實(shí)現(xiàn)所需要的操作。

　　P89C51RD2閃存結(jié)構(gòu)見圖2，它具有如下特點(diǎn)：

　　1. 其閃存空間是分塊的64kB的閃存空間，共分5塊，由低到高分別為8kB（BLOCK0）、8kB（BLOCK1）、16kB（BLOCK2）、16kB（BLOCK3）以及16kB（ BLOCK4）；

　　2. 每一塊都可以單獨(dú)擦除；

　　3. 在程序中可以調(diào)用IAP功能對(duì)閃存中的每一字節(jié)進(jìn)行單獨(dú)編程。

　　正是由于上述三個(gè)特點(diǎn)，在不外擴(kuò)展存儲(chǔ)器情況下，將程序空間剩余下的閃存空間作為數(shù)據(jù)空間，把單片機(jī)接收中斷采集到的信號(hào)通道、延遲時(shí)間等參數(shù)存儲(chǔ)下來，實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)延時(shí)模塊的軟件包括了PC機(jī)發(fā)送參數(shù)程序，單片機(jī)接收并存儲(chǔ)參數(shù)程序和FPGA信號(hào)延時(shí)處理程序。

　　PC機(jī)發(fā)送參數(shù)程序是用戶將PC機(jī)的串口與模塊連接，通過PC機(jī)的發(fā)送程序界面，很容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)調(diào)整。發(fā)送程序采用VC作為編程語言，調(diào)用串口控件，設(shè)計(jì)方便且界面簡(jiǎn)潔，界面如圖3所示。發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)幀8位，包括延遲時(shí)間和信號(hào)通道兩個(gè)參數(shù)，其中高三位是要調(diào)整的信號(hào)通道，后五位表示延遲的時(shí)間。發(fā)送程序中，對(duì)界面中的“+”或“?”進(jìn)行一次操作，PC就通過串口向單片機(jī)連續(xù)發(fā)送8路信號(hào)延時(shí)參數(shù)，即只要調(diào)節(jié)了任一路信號(hào)的延時(shí)，PC機(jī)就會(huì)連續(xù)發(fā)送8個(gè)數(shù)據(jù)幀。

　　單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)主要完成與PC之間的通信，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和上電數(shù)據(jù)的讀取。程序采用C51編寫，編譯采用當(dāng)前編譯效率最高的C51編譯器KEIL。軟件流程圖見圖4。

　　在P89C51RD2的64k閃存空間中，地址為0000H-7FFFH的32kB閃存空間作為程序空間，整個(gè)單片機(jī)程序編譯后為15k，所以32k的程序空間足夠大。余下的8000H?FFFFH的32kB 閃存空間留作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。兩塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間輪流使用，當(dāng)數(shù)據(jù)量存滿其中一塊時(shí)通過程序跳轉(zhuǎn)到另一塊，在使用前先將該塊擦除。

　　各函數(shù)介紹如下：

　　main()——主程序；

　　InitUart(void)——串口初始化；

　　IapInit(void）——IAP功能初始化，使用IAP功能前必調(diào)用；

　　PowerOnRead(void)——上電讀取最近一次存儲(chǔ)的參數(shù)。模塊對(duì)上電時(shí)間要求不苛刻，最新數(shù)據(jù)的地址可通過查表方式尋找。每一個(gè)數(shù)據(jù)幀占一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，由于單片機(jī)每次中斷都接收到8個(gè)數(shù)據(jù)幀，所以將每8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間劃分成一組，這樣只要查詢每組的頭一個(gè)地址就能快捷地完成查詢，大大節(jié)省了查詢時(shí)間。

　　EraseBlock (uint AddressRestore)——判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間塊滿，并擦除；

　　RestoreData(void)——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；

　　FPGADataUp(uchar DataRec)——更新FPGA接口數(shù)據(jù)。

　　在程序中，要多次調(diào)用BootROM固件中的子程序。由于IAP子程序接口是匯編語言，為了編寫方便，同時(shí)使程序框架明了，編寫了一個(gè)IAPLIB.A51匯編語言接口函數(shù)庫和IAPLIB.H頭文件。在程序中加上IAP.H頭文件，調(diào)用固件程序時(shí)就不需在C51程序中嵌入?yún)R編，而是像調(diào)用C語言函數(shù)一樣簡(jiǎn)單，這大大簡(jiǎn)化了編程。

　　FPGA設(shè)計(jì)

　　FPGA主要設(shè)計(jì)了DECODE延時(shí)通道譯碼器、CS片選信號(hào)控制器、N階SHIFTER移位寄存器。其中譯碼器用于完成對(duì)單片機(jī)并口送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行通道、時(shí)間參數(shù)的分離，用通道參數(shù)進(jìn)行尋址和譯碼，這是一種簡(jiǎn)單的譯碼邏輯和觸發(fā)電路。N階移位寄存器用于完成對(duì)信號(hào)進(jìn)行N階的延時(shí)處理，是延時(shí)處理的核心單元。單路信號(hào)延時(shí)調(diào)節(jié)的基本框圖見圖5。

　　延時(shí)通道譯碼器將單片機(jī)并口送來的延時(shí)參數(shù)送入鎖存器，同時(shí)輸出控制電路將移位寄存器對(duì)應(yīng)的延時(shí)階切換到輸出端。從不同的階引出信號(hào)即可獲得不同的延時(shí)量?？刂茣r(shí)鐘和移位寄存器的階數(shù)決定了延時(shí)步進(jìn)調(diào)節(jié)精度和延時(shí)調(diào)節(jié)范圍。如果定時(shí)模塊有N個(gè)信號(hào)通道，每個(gè)定時(shí)模塊集成N個(gè)完全相同的延時(shí)調(diào)節(jié)單元，就可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)各個(gè)通道信號(hào)延時(shí)大小的功能。集成的延時(shí)調(diào)節(jié)單元越多，占用可編程芯片的資源就越多，這可以根據(jù)實(shí)際需要選擇可編程邏輯器件。

　　FPAG軟件的設(shè)計(jì)采用“自頂向下”、“軟硬兼施”的設(shè)計(jì)方法，主要的各單元設(shè)計(jì)采用VHDL語言描述完成，而整個(gè)多路信號(hào)的延時(shí)功能處理采用圖形輸入設(shè)計(jì)方法。軟件設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)電路原理圖進(jìn)行引腳鎖定，然后啟動(dòng)編譯程序來編譯項(xiàng)目。編譯器將進(jìn)行錯(cuò)誤檢查、網(wǎng)表提取、邏輯綜合和器件適配，然后進(jìn)行行為仿真、功能仿真和時(shí)序仿真。最后通過編程器方式將POF文件下載到EPROM中。加電后，F(xiàn)PGA將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，完成配置，從而生成硬件電路。

　　模塊功能調(diào)試實(shí)現(xiàn)

　　模塊在調(diào)試中出現(xiàn)P89C51RD2有時(shí)上電程序運(yùn)行不正常，讀取程序空間是空的。但是只要上電工作起來，就恢復(fù)正常。懷疑由于上電復(fù)位時(shí)序混亂，造成誤調(diào)用固件擦除芯片子程序。采用專用復(fù)位芯片替換電容電阻加二極管的復(fù)位電路，使問題得到了解決。同樣，在單片機(jī)正確送數(shù)情況下，F(xiàn)PGA上電出現(xiàn)不能正常恢復(fù)預(yù)設(shè)好的延時(shí)信號(hào)，信號(hào)總是零延遲(第一次上電，單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)，信號(hào)就處于零延時(shí)狀態(tài))，但在工作狀態(tài)下，能夠很好地實(shí)現(xiàn)延時(shí)調(diào)節(jié)。懷疑這種情況是因存在復(fù)位問題而導(dǎo)致，但專用復(fù)位芯片不能解決問題。經(jīng)多次檢查程序，發(fā)現(xiàn)硬件語言程序中觸發(fā)語句是電平觸發(fā)，改寫為脈沖上升觸發(fā)后問題得以解決。

　　結(jié)束語

　　采用單片機(jī)和FPGA設(shè)計(jì)的延時(shí)調(diào)節(jié)模塊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)集成度高。軟件方面，單片機(jī)程序?qū)語言和匯編語言很好地結(jié)合，F(xiàn)PGA充分發(fā)揮了硬件語言易改變電路結(jié)構(gòu)和算法的優(yōu)越性。提高FPGA中移位寄存器的時(shí)鐘頻率，同時(shí)相應(yīng)增加移位寄存器程序輸出階數(shù)，可實(shí)現(xiàn)更高精度的延時(shí)步進(jìn)調(diào)節(jié)和增大延時(shí)調(diào)節(jié)范圍。因此可以在不改變模塊硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的上，通過軟件升級(jí)來提高模塊的性能，從而擴(kuò)大模塊的應(yīng)用領(lǐng)域。