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自動(dòng)控制的對象五花八門(mén)、品種繁多，要求控制器能夠模塊化、標準化、靈活配置；進(jìn)入商品經(jīng)濟時(shí)代，允許設計者的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，從幾年、幾月縮短到幾月、幾天；有時(shí)合同臨近結束前，用戶(hù)還會(huì )提出更改設計條款的要求。因此，需要設計者開(kāi)發(fā)出適應性強、便于修改、配置靈活的控制器，以滿(mǎn)足用戶(hù)需求，爭得商機。 從成本考慮，有時(shí)以單片機為核心器件，量身度造地為被控對象設計專(zhuān)用控制器，仍是一種較好的選擇。 CPLD器件與單片機結合優(yōu)勢互補、相得益彰 單片機的一些優(yōu)缺點(diǎn) 單片機具有強大的信息處理、邏輯分析、決策判斷等能力，借助程序，通過(guò)輸入/輸出接口，實(shí)時(shí)檢測被控對象的狀態(tài)，控制其當前或預計的行為，組成智能化儀器設備。 但是，單片機存在不可克服的缺點(diǎn)和弱點(diǎn)，如： 低速 單片機靠執行指令來(lái)完成各種功能，不論多高的工作時(shí)鐘頻率或多么好的指令時(shí)序，其排隊式串行指令執行方式使得工作速度和效率大打折扣。在高速實(shí)時(shí)仿真、高速數據采集等方面顯得力不從心。 復位工作方式 單片機工作之初，需花一段時(shí)間經(jīng)歷復位過(guò)程；工作時(shí)，在某種干擾性突變情況下，也會(huì )復位，復雜的復位過(guò)程很可能就是工作不可靠的根源。 程序跑飛 偶然因素，會(huì )引起程序跑飛。雖然有“看門(mén)狗”或其他抗干擾措施，在極復雜的情況下，單片機的程序仍存在跑飛的可能，從而進(jìn)入“死機”。 在單片機系統中，單片機的芯片通過(guò)印制板與系統中由其他集成電路組成的邏輯電路相連。一旦改變設計，可能重新制版，加長(cháng)了開(kāi)發(fā)周期。 CPLD器件的一些優(yōu)缺點(diǎn) 隨著(zhù)微電子技術(shù)飛速發(fā)展，集成電路規模越來(lái)越大，產(chǎn)生了復雜可編程邏輯器件CPLD和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FP2GA(兩種器件有類(lèi)似之處，以下用CPLD器件簡(jiǎn)稱(chēng))，這些器件含有數量眾多的可編程邏輯宏單元或邏輯塊，他們能夠任意組合，設計成功能各異的邏輯電路。 CPLD器件輸入引腳的箝位電平和輸出引腳的原始電平可預先設定，一開(kāi)機立即就能達到預定電平，狀態(tài)明確。各邏輯宏單元或邏輯塊的輸入信號僅需幾ns～幾十ns就反映到輸出端，信號傳輸效率很高，適合高速采樣等場(chǎng)合。 可編程邏輯宏單元或邏輯塊之間的相互連線(xiàn)在同一封裝內，受外界干擾影響小，電磁兼容(EMC)性能好。然而，對設計者來(lái)說(shuō)，CPLD器件最大的優(yōu)點(diǎn)在于可現場(chǎng)編程。改變邏輯關(guān)系時(shí)，無(wú)需更改外部線(xiàn)路板，只需用圖形語(yǔ)言程序或硬件描述語(yǔ)言程序來(lái)改變電路，生成下載編輯軟件，通過(guò)下載電纜輸入CPLD器件即可，非常方便，特別有利于新品試制，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。 CPLD器件雖然可任意組成各種邏輯電路，但在信息處理、邏輯分析、決策判斷等“智能”方面比不上單片機，雖說(shuō)可用CPLD器件仿真單片機，但畢竟有差距，一般多用作“狀態(tài)機”或輔助邏輯電路。 CPLD器件和單片機結合能優(yōu)勢互補 如果把兩者結合起來(lái)，組成的控制器就能優(yōu)勢互補、相得益彰。大量工業(yè)控制的對象不屬高速調節系統，這時(shí)，圖1示例的控制線(xiàn)路比較節省硬件開(kāi)銷(xiāo)，適合CPLD器件的特性，容易調試，抗干擾能力強。 圖1 基于單片機和CPLD器件的控制器方框圖 若是高速調節系統，應采用并行A/D轉換集成電路，用作輸入信號VI的采樣、轉換電路。 開(kāi)關(guān)型接口 CPLD器件與外部設備的開(kāi)關(guān)型的輸入/輸出端，可按圖2所示方式連接，構成類(lèi)似于PLC可編程控制器的開(kāi)關(guān)型接口。有些設計者在a點(diǎn)處插入了整形電路，其實(shí)，當CPLD器件與單片機結合時(shí)，可借助濾波軟件，消除抖動(dòng)的影響，使得線(xiàn)路簡(jiǎn)潔。經(jīng)實(shí)際使用，效果很好。 圖2 開(kāi)關(guān)型輸入/輸出接口 在高速采樣或利用脈沖信號的競爭現象而工作的場(chǎng)合，CPLD器件比單片機更具有優(yōu)越性。例如，某型號分條整經(jīng)機，紗籠直徑650～1000mm，需要判別轉向。紗籠高速運轉時(shí)，A，B二路信號的時(shí)間差最小約240ns。這樣的時(shí)間差距，單片機很難處理；有時(shí)候又需要操作工人轉動(dòng)紗籠，調整位置，速度往往幾乎為零，并可能反復變換方向。 采用CPLD器件，組成如圖4所示的判向電路，A路信號從IN05引腳輸入，B路信號從IN10引腳輸入，方向信號從數據總線(xiàn)的DATA0取出(波形見(jiàn)圖5)，傳送給單片機。供單片機檢出和脈沖計數。 這項應用的難點(diǎn)，不僅在于高速時(shí)判別轉向，還在于工人轉動(dòng)紗籠時(shí)，情況復雜多變。雖說(shuō)傳感器內部配備了斯密特整形電路，當紗籠低速穿越傳感器時(shí)，拉長(cháng)跨越門(mén)檻電平的時(shí)間，會(huì )產(chǎn)生一串不穩定的跳變，發(fā)生計數錯誤。 圖3 紗籠傳感器信號及波形示意圖 圖4 判向電路 借助單片機的特殊處理程序和CPLD器件中其他邏輯電路，該整經(jīng)機項目的控制器不論高速還是低速，都能可靠地檢出方向和脈沖個(gè)數，未發(fā)生過(guò)錯誤。 圖5 判向電路的仿真波形圖 模擬信號接口 模擬信號輸入接口 當控制對象不需要高速采樣、高速調節時(shí)，采用圖1控制器方框圖中所示的模數轉換形式，能夠充分發(fā)揮CPLD器件邏輯宏單元可編程的長(cháng)處。V/F轉換器把輸入的電壓信號轉為頻率信號，供CPLD器件中的計數器(圖1中未畫(huà)出)計數，從而把模擬量轉換成數字量。該計數器的字長(cháng)、進(jìn)制、模式根據需要可任意編程設定，比使用單片機內的計數器靈活方便。此處不詳敘。 當控制對象為高速系統時(shí)，可采用并行A/D轉換集成電路，這時(shí)宜采用并行口控制，可通過(guò)單片機或CPLD器件按常規方式對A/D電路的進(jìn)行。 模擬信號輸出接口 輸出的調節信號，可采用脈寬調制(PWM)波形加低通濾波器方式，很方便地實(shí)現數模轉換。PWM頻率越高，濾波效果越好，數模轉換通道如圖6所示。 圖7是在CPLD器件內設計的一個(gè)8位計數器PWM波形發(fā)生器的示例。填入不同的計數初值，將在PWMOUT端相應輸出不同占空比的脈沖串(見(jiàn)圖8)。 圖6 數模轉換通道示意圖 圖7 8位計數器PWM波形發(fā)生器示例圖 圖8 脈寬調制波形比較圖 在圖7中，時(shí)鐘脈沖從P32引腳輸入，WRN是寫(xiě)選通信號輸入端，PWMOUT是輸出端。 如果只使用CPLD器件，PWM波的周期和脈寬形成電路會(huì )比較復雜。結合單片機以后，PWM波形的周期就是單片機定時(shí)訪(fǎng)問(wèn)該計數器的WRN信號的周期，脈寬由單片機通過(guò)數據總線(xiàn)(DATA0～7)填入的計數初值決定。減少了CPLD器件內可編程邏輯宏單元或邏輯塊數量的消耗。在圖6中，整形電路主要起限幅、隔離作用。限幅之后，使幅度保持一致，并加大脈沖的上升沿和下降沿的陡削度，保證后級轉換的電壓幅度主要取決于脈寬，減少附加誤差。 濾波電路影響到轉換的線(xiàn)性度，根據不同的課題要求，可采用無(wú)源濾波器、有源一階、二階低通濾波器。巴特沃茲型濾波器具有平坦的通帶幅頻特性，最適于本轉換電路方式的需要。以圖9所示巴特沃茲二階低通濾波器為例，其截止頻率fo為： 圖9 二階低通濾波器 截至頻率fo應該大于信號帶寬邊沿，但是要遠小于PWM信號的頻率。濾波器R，C的取值直接影響轉換后的紋波幅度和轉換速率，兩者對R，C的要求正相反，應均衡考慮。必要時(shí)，通過(guò)實(shí)驗選取合適的數值。 脈寬調制(PWM)波加低通濾波而實(shí)現數模轉換的電路，其精度主要取決于計數器的字長(cháng)、PWM的頻率、低通濾波器的形式和元件選型。注意到這幾點(diǎn)，轉換效果令人滿(mǎn)意。本文以8位計數器舉例，實(shí)際應用中，考慮種種因素，一般采用10～14位計數器。 圖6中的功率放大級主要是把濾波器輸出的信號，以適當的放大、反饋形式，轉換成符合Ⅱ型儀表、Ⅲ型儀表規定的電壓、電流信號，或轉換成其他觸發(fā)控制信號，以便與被控對象連接，調節其工作狀態(tài)。 結語(yǔ) CPLD器件的物理機制像74系列、CD4000系列集成電路那樣，純屬硬件電路，十分可靠。繁雜的開(kāi)發(fā)工作是依賴(lài)功能強大的EDA軟件實(shí)現的，入門(mén)門(mén)檻較低，易于初學(xué)者上手。目前正被越來(lái)越多的設計者青睞，普及推廣只是時(shí)間問(wèn)題。 隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，相信CPLD器件會(huì )有長(cháng)足的進(jìn)步，可能會(huì )與微機日益緊密結合，以致兩者間界限模糊，你中有我，我中有你。 研制產(chǎn)品時(shí)，使CPLD器件與單片機的有機結合，不但縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且控制器配置靈活、修改方便、適應性強，加大了研制的自由度。容易滿(mǎn)足用戶(hù)的多元需求，從而爭得商機。 |
