（测试计量技术及仪器专业论文）基于可编程逻辑器件光栅信号采集处理卡的设计.pdf

中文摘要目前可编程逻辑器件逐渐取代了传统数字器件成为数字集成电路的主流芯片，它具备体积小、速度快、质量轻、保密程度高、开发周期短、设计风险小等优点；u s b 总线具有传输速度快、支持热插拔、即插即用、易于扩展、占用系统资源少等优点。由于现代工业生产和科学研究中对数据采集的要求日益提高，本文针对市场需求将可编程逻辑器件、u s b 总线技术与传统的数据处理采集系统的特点相结合，开发出一种基于可编程逻辑器件进行数据处理、基于u s b 总线进行数据采集的系统。本文认真分析了目前应用于天津大学自行研制的三坐标测量机上的基于i s a 总线数据采集处理卡的特点，对其数据处理部分进行改进，采用可编程逻辑器件代替传统的7 4 系列芯片，可以解决由于缺焊、漏焊引起采集卡不能正常工作的问题，而且节约了p c b 板面资源。设计了基于u s b 总线的数据采集系统，克服了传统的基于i s a 总线数据采集卡的缺点。本文所设计的数据处理采集系统具有实时性好、可靠性高、使用方便等特点。本文完成的具体工作如下：1 、对以前的数据处理采集卡功能进行分析，确定整个系统的设计方案；2 、阅读大量芯片的手册，确定设计所需要的芯片型号，绘制整个系统的电路图；3 、在q u a r t u s l i 环境下，采用v e r i l o gh d l 语言编程实现四细分辨向、2 4 位可逆计数、锁存信号处理、数据选通等功能；4 、在k e i lu v i s i o n 2 环境下采用c 5 1 语言编写u s b 内部的固件程序，在v i s u a ls t u d i o 环境下采用c + + 语言编写上位机测试程序及基于w d m 结构的驱动程序。5 、在实验室环境下，利用实验室自行开发的模拟光栅信号发生卡，调试了开发的数据采集处理卡，达到了课题的要求。关键词：三坐标测量机，可编程逻辑器件，u s b 总线，数据采集a b s t r a c ts o m et r a d i t i o n a ld i g i t a ld e v i c e sh a v eb e e nr e p l a c e db yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ( p l d ) g r a d u a l l yf o rt h e s ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l lv o l u m e ，h i g hs p e e d ，l i g h tw e i g h t ，h i g hs e c r e c y , s h o r td e s i g nc y c l ea n dl o wd e s i g nr i s k ，e t c u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) h a st h ea d v a n t a g e so fh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d ，p l u ga n dp l a y , e a s yt oe x t e n d ，s m a l lo c c u p i e ds p a c ea n ds oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ，t h er e q u i r e m e n to fd a t aa c q u i s i t i o nh a sb e i n gi n c r e a s e dd a i l y t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sas y s t e mb a s e do np l dt op r o c e s st h ed a t aa n do nu s bb u st oa c q u i r et h ed a t a ，c o m b i n i n gt h et e c h n i q u e so fp l d ，u s bb u sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o n t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei s ab u sb a s e do nd a t ap r o c e s s i n gc a r d ，w h i c hw a su s e do na3 - dc o o r d i n a t em e a s u r e m e n tm a c h i n e ( c m m )d e v e l o p e db yt i a n j i nu n i v e r s i t y t h i ss y s t e mi m p r o v e sd a t ap r o c e s s i n gp a r ta n da p p l i e st h ep l di n s t e a do ft h et r a d i t i o n a l7 4s e r i e sc h i p ，s o l v e st h ep r o b l e m so fi r r e g u l a rw o r k i n gd u et ow e l da b s e n c ea n dm i s s i n g ，a n do v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o nc a r db a s e do ni s ab u s t h ed a t ap r o c e s s i n ga c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a ss o m ef e a t u r e ss u c ha sg o o dr e a l t i m e ，h i g hr e l i a b i l i t y , c o n v e n i e n tt ou s ea n ds oo n m a i nw o r k sh a v e b e e nf i n i s h e da sf o l l o w s ：1 d e t e r m i n et h ew h o l es y s t e mb ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o no fp r e v i o u sd a t ap r o c e s s i n ga n da c q u i s i t i o ns y s t e m 2 a f t e rr e a d i n gl o t so fd a t a s h e e t so fc h i p s ，t h ec h i p st y p e sa r ed e c i d e d ，a n dt h ew h o l es y s t e m sc i r c u i ts c h e m a t i ci sd e s i g n e d 3 d e v e l o pd a t ap r o c e s s i n gp r o g r a mw h i c hc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fq u a r t e rs u b d i v i s i o n s ，d i r e c t i o n a ld i s c r i m i n a t i o n ，r e v e r s i b l ec o u n t i n g ，l a t c h i n gs i g n a lp r o c e s s i n ga n dd a t as e l e c t i n gw i t hv e r i l o gh a r d w a r ed e s i g nl a n g u a g eo nq u a r t u s l ib e n c h 4 i nt h ee n v i r o n m e n to fk e i lu v i s i o n 2 ，t h eu s bf i r m w a r ei sp r o g r a m m e db yu s i n gc 51l a n g u a g e i nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a ls t u d i o ，c m mt e s t i n ga p p l i c a t i o np r o g r a ma n du s bd e v i c ed r i v e rb a s e do nw d ma r ed e v e l o p e du s i n gv i s u a lc 抖l a n g u a g e 5 i nt h ee n v i r o n m e n to fl a b o r a t o r y , b yu s eo ft e s t i n gp l a t f o r mw h i c hi sd e s i g n e db yo u rl a ba n ds i m u l a t e st h eg r a t i n gs i g n a lo fc m m ，d e b u gt h es y s t e m e x p e r i m e n ti n d i c a t e si tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h i sp r o j e c t k e yw ord s ：c m m ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，u s bb u s ，d a t aa c q u i s i t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特另, j j j r l 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：奢建军签字日期：妒7 年石月，日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：杏乏年导师签名：签字日期：刖7 年占月，日灰。旧托签字嗍唧年6 月i 乙日第一章绪论1 1 三坐标测量机简介第一章绪论三坐标测量机c m m ( 3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) 简称测量机。测量机是精密的数控检测设备，其精度高于一般的数控机床，被广泛应用在模具、汽车、航空、航天、机械等制造业，可对产品的几何尺寸和形位公差进行精确检测。在美国和欧洲的工业发达国家，测量机已经非常普及，大约每七台数控机床要配备一台三坐标测量机。三坐标测量机的工作原理：首先将各种几何元素的测量转化为这些几何元素上一些点集的坐标位置测量。在测得这些点的位置后，再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等。这一工作原理，使三坐标测量机具有很大的通用性和柔性。从原理上说，它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数【l 】。1 1 1 三坐标测量机国内外发展概述国外三坐标测量机的研制早在上世纪的五十年代初期已经开始。由英国f e r r a n t i 公司研制成功世界上第一台数字移动式三坐标测量机。六十年代末约有近十个国家三十多个公司生产测量机，但这一时期的三坐标测量机仍处于初级阶段。进入八十年代以z e i s s ( 原o p t o n ) 、l e i t z 、d e a 等为代表的众多公司竞相不断推出新产品，发展速度逐渐加快。到九三年世界三坐标测量机年产量已经接近六千台。我国坐标测量机发展可分为三个阶段：第一阶段自七二年开始至八十年代初。由于技术密集程度高，特别是受我国计算机技术落后的严重影响，此项研制和生产总是处于样机试制阶段。第二阶段自八十年代初到八十年代末，坐标测量机发展走上了引进国外先进技术，结合自身的特点进行开发生产的道路，加快了我国三坐标测量机生产的步伐，初步形成了国产测量机的生产能力。第三阶段为进入九十年代至今。目前，我国已经具备了从精密型坐标机到生产型坐标机直至分辨率为1 0 微米的划线测量机的生产能力，实际生产能力大大提高，开始逐渐占领了国内市场【2 】。国内的主要厂家有中国航空精密机械研究所、海克斯康( 青岛) 测最技术有限公司、上海机床厂、北京机床研究所和哈尔滨量具刃具集团有第一章绪论限公司等。各个厂家不断推出新产品和新技术，使三坐标测量机正朝着万能、精密、快速、数控与智能化方向发展。1 1 2 三坐标测机的标尺系统标尺系统是三坐标测量机的关键部件，也是决定测量精度的关键。目前国内外大多数三坐标测量机的长度测量标准均采用光栅测量系统。由于光栅尺体积小、技术成熟、精度较感应同步器和磁栅高，又较传统的线纹尺易数字化，加之细分技术的不断提高，使光栅尺的分辨率提高到0 1 微米，细分精度不低于0 。2微米。尽管激光干涉仪的精度高于光栅，但利用计算机的功能，通过采用激光干涉仪对光栅测量系统在三坐标测量机的特定轴线上进行稳定可靠的高精度修正，同样可使光栅测量系统的位置精度提高到足够的高度。且光栅测量轴线也可平移到坐标测量机所需要的合理的位置。这样较直接采用激光测量系统的方法成本低，易于实现，易于维护。这是当前国内外三坐标测量机广泛采用光栅测量系统作为长度标准的主要原因。另外，在光栅尺的材料选择方面也比较方便，从传统的玻璃到与被测工件热膨胀系数接近的金属光栅都可以作为其材料f 2 j 。1 2 课题的提出光栅信号的后续处理包括：放大整形、细分、辨向、计数，经过处理后由接口电路传给计算机，由计算机对数据进行后续的处理工作。光栅信号的后续处理部分至关重要，决定了三坐标测量机能否准确、实时地获得工件的信息。目前市场上出现大量的处理光栅信号的光栅数显表，由于价格昂贵，只适合一种分辨率，更重要的是一般的数显装置不具有通讯接口，要么多设计成r s 2 3 2 接口【3 1 。使用者需要针对实际需求对数显装置进行改装。改装工作首先需要对现有的数显系统进行分析，要花费一定的时间，之后还要根据已有的器件选择性地添加器件以实现需求，灵活性差，耗费时间长。因此提出了具有针对性地开发专用的光栅信号处理卡。目前天津大学自行研制的三坐标测量机，已经将放大、整形、电阻链细分电路集成在块处理卡上，并固定在测量机上。为了提高测量的精度，需要对处理后的信号进行进一步的细分处理。后续处理包括了四细分辨向、计数及接口电路，之后将数据传给计算机，与计算机相连。本课题就是为解决这一问题而提出的。随着可编程逻辑器件的出现，逐渐取代了传统的数字器件，可编程器件可以看作一张白纸或一堆积木，设计者通过传统的原理图输入法，或者硬件描述语言自由没计一个数字系统。此系统通过软件仿真，可以预先验证设计的正确性。即2第一章绪论使p c b 印制完成后，利用可编程逻辑器件的反复擦除特性，随时更改设计而不必为了硬件电路伤透脑筋。使用可编程器件设计系统可以大大缩短设计周期，减少p c b 面积，提高系统的可靠性。目前应用在天津大学自行研制的三坐标测量机上的信号处理卡是基于7 4 系列芯片实现的数据处理。本系统采用可编程逻辑器件对传统的数据处理卡进行优化设计。将四细分辨向、锁存信号处理、数据锁存、数据选取等都集成到可编程逻辑器件内部实现。优化后的设计提高了系统的可靠性、快速性，使系统的开发周期更短、设计更加灵活、体积小、使用起来更加便捷。随着计算机技术的不断发展，计算机主频的提高和外设速度的加快，i s a 总线的8 3 3 m b p s 峰值传输速率和8 1 6 b i t 的数据宽度等关键指标限制了系统性能以及速度。因此逐渐被淘汰，目前许多主板厂商一般都设有一个i s a 槽，目的是兼容以前的i s a 板卡，有些已经将i s a 插槽彻底清除【4 】【5 1 。而目前应用于天津大学研制的三坐标测量机上的数据采集处理卡正是这种受到计算机发展制约的接口卡，因此需要进行改进。除了系统性能受到制约外，还存在安装调试的问题，安装、卸载处理接口卡的时候都需要重启计算机，浪费时间，极其不适合移动测量。u s b 总线为当前流行的总线，适应了市场的发展。对于基于u s b 总线的接口卡，可以直接与计算机相连，目前的台式机和笔记本电脑都有多个u s b 接口，无需关机安装数据处理采集卡，使用方便，能够解决i s a 卡引发的问题。1 3 本课题研究的主要意义与内容1 3 1 课题的意义对三坐标测量机来讲，采集数据的准确性、实时性是测量的基础。光栅信号处理采集系统在整个坐标测量机工作中起着至关重要的作用，关系到能否准确、实时地获取被测工件的信息。本系统可以及时、准确地读取数据，从测头触发到获取数据仅仅不到6 0 n s 的时间，完全满足实时性的要求。通过调试得知能够准确地读取数据，同样满足准确性的要求。从而为三坐标测量机进一步完善和发展奠定基础。系统采用的是当前流行的芯片、总线，适应了技术的发展，迎合了市场的需求。1 3 2 课题的主要工作课题通过了解可编程器件特性，在q u a r t u s i i 环境下实现光栅信号数据处理功能；理解u s b 协议基础上开发了数据传输接口卡。主要完成的工作有：第一章绪论1 、对以前的数据处理采集卡功能进行分析，确定整个系统的方案：2 、阅读大量芯片的手册，确定设计所需要的芯片型号，绘制整个系统的电路图：3 、在q u a r t u s l i 环境下，采用v e r i l o gh d l 语言实现四细分辨向、2 4 位可逆计数、锁存信号处理、数据选通等功毹；4 、在k e i lu v i s i o n 2 环境下采用c 5 1 语言编写u s b 内部的固件程序，在v i s u a ls t u d i o 环境下采用c + + 语言编写上位机测试程序及基于w d m 结构的驱动程序。5 、在实验室环境下，利用实验室自行开发的模拟光栅信号发生卡，调试了开发的数据采集处理卡，达到了课题的要求。4第二章系统硬件电路的设计第二章系统硬件电路的设计2 1 采集处理系统的工作原理三坐标测量机光栅信号采集处理系统主要对来自坐标测量机的光栅信号进行进一步的处理，并通过接口模块将处理后的数据传输给主机。系统框图如图2 1 所示。图2 1 系统框图光栅读数模块输出相位相差9 0 。的正弦信号，经过放大、细分、整形处理后转化成相位差保持不变的方波信号。为了提高测量精度需要对两路信号进行进一步细分处理。由于测头沿正反两个方向运动，因此需要根据光栅信号的相位变化辨别出运动的方向。综合以上两点，后续处理电路需要完成细分辨向的功能，同时对细分后的信号进行可逆计数间接地获得被测工件的坐标值。处理后的数据必须通过计算机的外围接口输入给主机，为后续的数据处理提供基础，计算机可以根据这些测量数据及时作出反馈，实现对整个系统的控制。2 2 系统硬件电路的总体设计在以往的数据采集处理系统设计中，采用了传统的7 4 系列芯片实现数据处理，通过i s a 总线接口向计算机传送数据。前者实现数据处理时，不仅占用大量的p c b 板面资源；而且由于分立元件较多，焊接过程中由于虚焊、漏焊导致系统不能正常工作，一旦出错，需要大规模的查错，调试过程极其麻烦；而且随着i c 技术的迅速发展，分立元件逐渐被淘汰。i s a 总线传输速度慢，带宽窄，与计算机的发展不协调，导致其逐渐被淘汰。本系统的数据处理模块采用可编程逻辑器件实现。三坐标测量机光栅读数头产生的光栅信号经过数据接口传输给可编程逻辑器件，在其内部实现后续处理工作：四细分辨向、2 4 位可逆计数、锁存信号处理、数据选通等。采用可编程逻5第二章系统硬件电路的 发计辑器件实现数据处理提高了系统的灵活性，加强了保密性。数据传输模块采用当前流行的总线技术u s b 总线，克服i s a 总线的缺点，提高了数据的传输速率，适应了计算机的发展趋势。硬件设计包括数据处理模块、u s b 接口控制模块、电源处理模块、时钟电路模块等，结构框图如图2 2 所示。图2 - 2 光栅信号采集处理卡硬件结构图2 3 数据处理模块的设计光栅信号数据处理系统的设计分为两个阶段，第一步为实验阶段；第二步为优化阶段。实验阶段由于实验室有a l t e r a 公司c p l d 的存货，为了短时期内在功能上验证系统设计的可行性，因此采用c p l d 对系统进行设计。验证方案可行性时存在下列问题：( 1 ) 实现一个轴功能的情况下系统的性能指标只能达到5 0 m h z 。( 2 ) 由于资源的限制，不能完成三个轴的设计，所以在优化阶段采用f p g a 解决低性能指标以及资源不足的问题。2 3 1 可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) 是允许用户编程( 配置) 实现所需逻辑功能的电路，它与分立元件相比，具有速度快、容量大、功耗小和可靠性高等优点。由于集成度高，设计方法先进、现场可编程，可以设计各种数字电路，因此，在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域内得到了广泛应用。不久的将来将全部取代分立数字元件，目前一些数字集成电路生产厂商已经停止了分立数字集成电路的生产【6 】。可编程逻辑器件主要包括两大类：c p l d 和f p g a 。c p l d 具有高集成度、高速度、低价位的特点，其所具有的灵活性和多组态功能，可以反复擦写，擦写6第二章系统硬件电路的设计次数在l 万次左右。以及支持的v h d l 、v e r i l o g 等硬件编程语言大大方便了用户的使用【7 1 。但是容量比较小，一般只有几百个逻辑单元，适合组合逻辑电路。尤其适合控制型设计，如高速接口电路，这也是设计初始阶段直接采用c p l d 的原因之一。f p g a 逻辑单元是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能单元通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片。互联资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑单元或输入输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互联关系，从而实现所需要的逻辑功能。除了上述构成f p g a 基本结构的三种资源外，随着工艺的进步和应用系统需求的发展，在f p g a 中还可能包含存储器资源、数字时钟管理单元等功能模块。目前绝大部分f p g a 都采用查找表( l o o ku pt a b l el u t )技术，这些f p g a 中的最基本逻辑单元都是由l u t 和触发器组成，l u t 本质上是一个r a m ，目前多使用4 输入的l u t 。当用户通过原理图或h d l 语言描述一个逻辑电路后，f p g a 开发软件会自动计算所有可能的结果，并把结果写入r a m 。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出该地址的对应的内容。f p g a 容量大，功耗低，内含大量的触发器，适合大规模的时序逻辑的设计。属于数据型器件，适合作算法电路，但是它同时也可以满足控制设计的要求。c p l d 器件和f p g a 器件各有优缺点，因此在可编程逻辑器件技术的竞争中并驾齐驱，成为两支领导可编程器件技术发展的力量。目前在我国常见的p l d生产厂家有x i l i n x 、a l t e r a 、a c t e l 、l a t t i c e 、a t m e l 、m i c r o e h i p 和a n i d 等等，其中x i l i n x 和a l t e r a 为两个主要生产厂家。比较起来a l t e r a 的产品略有以下的长处，因此开发中选用a l t e r a 的芯片。1 同样具有e p r o m 和s r a m 的结构。2 对于s r a m 结构的产品，a l t e r a 公司p l d 的输出电流可达2 5m a ，而x i l i n x的f p g a 只有1 6 m a 。3 a l t e r a 公司的p l d 延时时间可预测，弥补了f p g a 的缺点。4 x i l i n x 公司的开发软件f o u n d a t i o n 功能全，但是不如a l t e r a 公司的q u a r t u s l l软件使用简单，特别是对于学校的学生学习v e r i l o g 语言和p l d 设计。5 a l t e r a 公司的产品价格稍微便宜。2 3 2 方案设计1 、实验阶段设计实验阶段数据处理模块采用的c p l d 芯片是a l t e r a 公司的m a x 3 0 0 0 系列。7第二章系统硬件电路的设计m a x 3 0 0 0 为低成本的c p l d ，其中的e p m 3 2 5 6 1 4 4 ，内部含有2 5 6 个宏单元，5 0 0 0 个可用门，1 6 个逻辑阵列块，1 1 6 个用户i o 口。基于e e p r o m 工艺，掉电后数据不丢失，内置j t a g 边界扫描测试电路，通过j t a g 口可实现+ 3 3v 在线系统可编程( i s p ) 【8 j 。对于内部电源电压( v c c i n t ) 采用+ 3 3v 电压，外部i o 口电源( v c c i o ) 可采用+ 2 5v 和+ 3 3v 电压，本设计中均采用+ 3 3v 电压。使用e p m 3 2 5 6 进行光栅信号的数据处理，主要实现四细分辨向、可逆计数、锁存信号处理、数据选通等功能。设计过程中为系统引入了一个全局参考时钟。由于f x 2 外部需要提供晶振2 4 m h z ，为了减轻设计的复杂度，因此我们将这个时钟信号同时也作为数据处理的参考时钟，接到p i n9 8 上。f x 2 提供给c p l d的控制信号有：c t l 0 、p a 0 、p a l 、a d r 3 ：0 】。管脚的选取原则是：波形仿真时路径短、p c b 板布线容易。一般情况下在用户可用i o 中选取，资源充足时尽量不要占用芯片的全局信号引脚。f x 2 与c p l d 之间传送数据的信号线d 7 ：0 】同样依据上述的两条原则。除了上面提到的1 5 根信号线，由模拟光栅信号发生卡传输过来的信号还有1 0 根：x a ，x b ，x c l e a r ，y a ，y b ，y c l e a r ，z a ，z b ，z c l e a r ，p r o b e 。考虑到现场传送来的外部信号的电压值较高，电压值可能高于+ 5v ，而c p l d 的工作的电压值为+ 3 3v ( 最大可以承受+ 5 v ) ，考虑到系统的安全性，传输到c p l d 之前需预处理。在两者之间添加一个分压电阻，阻值为2 2 q 。测头触发信号p r o b e 需要限压处理，经过限压电路，保证超过+ 5 v 的测头触发信号( 如+ 1 2 v ) 转换成标准的+ 5 v 信号i n t 5 ，以避免损伤c p l d 器件，限压电路如图2 3 所剩9 1 。+ 5 v图2 3 测头触发信号限压处理配置方式采用j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 方式，通过b y t e b l a s t e r l i 下载电缆将程序烧进c p l d 中，c p l d 为非易失性器件，因此不需要外围配置芯片。与配置有关的信号有：t c k 、t d o 、t d i 、t m s 。t d i 、t m s 经上拉电阻( 1 0 k q )上拉到+ 3 3 v ，t c k 下拉电阻( 1 k q ) 到地。数据处理程序采用v e r i l o g 编写，时序仿真验证系统可行，下载到e p m 3 2 5 6中，下载过程中注意几点：( 1 ) 上电前用万用表检查下电源和地是否短接；( 2 )8第二章系统硬件电路的设计将不用的管脚作为三态输入脚；( 3 ) 每次上电前先接下载电缆，烧写结束后先切断电源再拔下载电缆。2 、f p g a 方案的设计由于c p l d 内部的资源有限，实现三个坐标轴的数据处理资源不足；系统性能指标较低，仿真单轴时系统性能指标仅为5 0m h z ，因此选择f p g a 来改善各项指标。f p g a 内部含有丰富的触发器和门电路，具备速度快、可靠性高、使用灵活、适用性强等特点，同样支持v h d l 、v e r i l o gh d l 语言，特别适合于复杂逻辑的设计。c y c l o n e 系列f p g a 是a l t e r a 公司2 0 0 3 年9 月份推出的，基于1 5 v ，0 1 3g ms r a m 工艺，c y c l o n e 相对于其他的f p g a ，成本减半，但依然提供强大的功能，在f p g a 中是一款性价比很高的器件。本设计选用的e p i c 3 t 1 4 4 ，拥有1 0 4 个用户i o 和2 9 1 0 个逻辑单元，5 9 9 0 4b i t s 洲，1 个p l l 。可以通过j t a g 口在线配置，也可以进行a s ( a c t i v es e r i a l ) 配置和p s ( p a s s i v es e a 1 ) 配置【1 0 j 。在整个芯片的管脚中，全局时钟脚的驱动能力最强，到所有逻辑单元的延时基本相同，如果系统有外部时钟输入，建议定义此管脚为时钟脚 1 2 10 重新制板时考虑到了这一点，将系统的参考时钟不再分配给一般的用户i o 引脚，而是接到全局时钟引脚g c l k 。如果需要提高系统参考时钟的频率可以在e p l c 3 t - 1 4 4内部的采用p l l 进行倍频。外部信号发生卡传送的信号高电平为+ 5 v ，e p l c 3 t 1 4 4 工作承受电压为+ 3 3 v 和+ 1 5 v ，因此需处理后再提供给f p g a ，采用与基于c p l d 实现设计部分相同的处理方式电阻分压。除此之外，由于f p g a 内部是基于s r a m 工艺的，掉电后数据丢失，因此需要在设计时考虑到配置方式电路的设计，配置部分的原理图如图2 4 所示。r图2 - 4 中的电路设计三种配置方式：a s ，p s ，j t a g ，其中a s 方式的配置芯片选取a l t e r a 公司的e p c s l 。它为1m b i t s 的专用配置芯片，本质上是一块专用f l a s h ，用于保存f p g a 的配置信息。可以重复擦除、写入1 0 0 ，0 0 0 次。配置时供电电流小，供电电压为+ 3 3 v 。采用a s 方式时需要将m s e l l 和m s e l 0 拉低。具体设计参考a l t e r a 公司提供的芯片使用手册，a s 方式也是设计者最常用的模式。p s 配置中的芯片是e p c 2 ，拥有1 6m b i t s 的存储容量，兼容+ 3 3 v 和+ 5 v 的电源电压，能够反复擦写。在程序编译综合完成后，下载电缆通过j t a g 接v i 将程序写入e p c 2 。当系统再次复位或者加电时，程序就会从e p c 2 自动导入f p g a ，完成程序的加载。p s 方式存在一些缺点：( 1 ) 芯片价格高；( 2 ) 可多次擦除次数少：( 3 ) 无法用于实时多任务重配置f p g a 的i s p f l a s h 配置器件，因此很少采用。防止因a s 方式出现问题导致无法进行程序烧写，因此添加了p s 配置方9第二章系统硬件电路的设计式。j t a g 方式是最简单的配置方式，但是掉电程序丢失，不能脱离计算机使用，不适合移动式使用，极其不便。p s 和j t a g 方式m s e l i ，m s e l 0 配置为0 1 。设计电路的时候综合考虑，要在这两个管脚处添加两种电阻：上拉电阻与下拉电阻，这样就可以灵活地选择工作的模式。图2 - 4 三种方式配置电路基于f p g a 的数据处理部分电路图见图2 5 。左上侧为f p g a 与f x 2 之间的通信信号，包括数据信号和控制信号。上侧提供的是f p g a 芯片的工作电压：+ 3 3 v 及+ 1 5 v 。右上侧为从信号发生卡传送过来的光栅信号。右下侧都是f p g a芯片接地的引脚。左下侧都是与配置相关的信号。采取分块设计，方便原理图的检查。整个芯片的部分管脚需要上拉电阻和下拉电阻与电源和地相连，处理电路参照图2 - 6 。对没有进行分配管脚也用户i o 可以引出供测试用。例如：在验证f p g a 系统时钟能否正常工作时，可以通过编程测试。对系统时钟计数操作，输出信号口可以选择测试管脚，借助示波器观察输出信号，可以验证时钟的工作情况。1 0第二章系统硬件电路的设计图2 5 基于f p g a 数据处理的电路图2 4u s b 接口模块设计图2 - 6 配置引脚处理电路进行有关u s b 的开发设计时，首先要定位开发的类型，并选择合适的u s b接口芯片。若开发的设备只是使用u s b 总线来和p c 机进行数据传输，则它属于u s b 功能设备的开发，需要为其选择一块具有合适传输速率的u s b 功能设备芯片。在u s b 系统的开发领域中，使用最频繁、应用最广泛的当属u s b 功能设第二章系统硬件电路的设计各的开发，其实现的过程因情况不同而不刚1 剐。本设计需经f p g a 处理后的数据通过u s b 总线传输给p c 机，因此属于功能开发范畴。开发的过程见图2 7 。、图2 7 开发过程框图2 4 1u s b 芯片类型选择目前，市场上的u s b 芯片大致分为五大类型【1 4 】：( 1 ) p c 端或主机端的u s b 控制器；( 2 ) 集线器芯片；( 3 ) 特定的接口转换芯片，如u s b 转r s 2 3 2 或a t a a t a p i 等；( 4 ) 单独运作的u s b 接口芯片；( 5 ) 内含u s b 单元的微处理器( m p u ) 。u s b 接口芯片，即是仅包含u s b 的串行接口引擎( s i e ) 、f i f o 内存、收发器以及电压调整器等的芯片。这类接口芯片实现时采用微处理器+ u s b 收发芯片的办法，如微处理器+ 美国国家半导体公司( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 的u s b n 9 6 0 2 芯片，它的优点是灵活性大，可以根据要求来选择微处理器，但是开发复杂。内含u s b 单元的微处理器的u s b 芯片，这是一种专为针对某种特殊目的所开发的专用u s b 微处理器，而一般的i j s b 微处理器内包含了通用型的c p u 或m p u ，比如c y p r e s s 公司的e zu s bf x 2l p ( c y 7 c 6 8 0 1 3 a ) 控制器芯片是1 2第二章系统硬件电路的设计为u s b 2 0 设计的高集成单片解决方案，它的优点是电路实现简单，性能优良，开发周期短等，所以被选为本论文开发u s b 总线设备的专用控制器：吝片。2 4 2c y 7 c 6 8 0 1 3 a 一1 0 0 a x c 简介1 、c y 7 c 6 8 0 1 3 特点f 地l p 系列中的c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片是针对u s b 2 0 的，而且兼容u s b l 1 ，支持两种传输速率，全速( f u l ls p e e d ) 1 2m b p s 和高速( h i g hs p e e d ) 4 8 0m b p s ，但是并不支持低速( l o ws p e e d ) 1 。5m b p s 传输。它具有以下特性【1 5 】：( 1 ) 提供了一个基于r a m 的结构，允许无限制地配置和升级的解决方案；( 2 ) 满足最大限度的u s b 吞吐量，设计时将不会受到端点数、缓冲区大小和传输速度的限制；( 3 ) f x 2 内核将会处理大部分的u s b 事务，简化了固件代码，缩短了u s b设备的开发周期；( 4 ) 带有增强的8 0 5 1 内核，可达到标准8 0 5 1 的5 。1 0 倍，且与标准8 0 5 1的指令完全兼容：( 5 ) 集成度高，芯片内部集成有微处理器、r a m 、s i e ( 串行接口引擎)等多个功能模块，从而减少了多个芯片接口部分需要时序配合的麻烦；( 6 ) 采用软配置，在外设未通过u s b 接口接到p c 机之前，外设上的固件存储在p c 上；而一旦外设连接到p c 机上，p c 则先询问外设是“谁”( 即读设备描述表) ，然后将该外设的固件下载到芯片的r a m 中，这样，在开发过程中，当固件需要修改时，可以先在p c 机上修改好，然后再下载到芯片中；( 7 ) 具有易用的软件开发工具，该芯片开发系统的驱动程序和固件的开发和调试相互独立，可加快开发的速度。2 、e z _ u s bf x 2 l p 芯片结构e zu s bf x 2 l p 系列的c y 7 c 6 8 0 1 3 a - 1 0 0 a x c 芯片采用t q f p l 0 0 封装，其内部结构简化图【1 5 1 如图2 8 所示，由u s b 收发器、串行接e l 引擎( s i n ) 、u s b 接口、程序和数据r a m 、c p u ( 增强的8 0 5 1 ) 和一个通用可编程接e i ( g p i f ) 组成。集成u s b 收发器连接到u s b 总线中的d + 和d 差动数据线。串行接口引擎s i e用来对串行数据进行解编码、错误校验和位填充，并完成其它的u s b 总线所需的信号水平，执行大部分的u s b 底层协议，从而简化8 0 5 1 代码的编写工作。内部8 k br a m 用作程序和数据存储器，用户可自行装载代码和数据来实现具体功能。通用可编程接口g p i f 在芯片的c t l 管脚产生用户可编程的控制信号来主控第二章系统硬件电路的设计外部逻辑，用r d y 管脚采样外部信号，掌管内部f i f o 和外逻辑间的高带宽传输。图2 - 8c y 7 c 6 8 0 1 3 1 0 0 a x c 内部结构简化图芯片内部集成了一个增强型的8 0 5 1 内核作为通用微处理器，具有实现高层u s b 协议和用作通用系统两方面的功能。它既与标准的8 0 5 1 兼容，又有诸多改进。增强型8 0 5 l 主要特性：一个指令周期只需4 个时钟周期，比标准的8 0 5 l 平均提高了2 倍；为快速的存储器之间的数据传递提供了双数据指针；具有两个通用同步异步接收发送器u s a r t s ；具有三个定时计数器；三个8 管脚的双向i o端口；时钟频率为1 2 、2 4 或4 8m h z ；比标准8 0 5 i 更为扩展的中断系统；2 5 6个字节的内部存储器r a m ：标准的8 0 5 1 指令集。3 、e zu s bf x 2 端点缓冲区f x 2 定义了7 个端点，三个6 4 字节的端点缓冲区和可以多种方式配置的4 k字节缓冲空间。三个6 4 字节的缓冲区e p 0 ，e p i i n 和e p l o u t 对所有的配置都是相同的。e p 0 是缺省的控制端点。它是适用于和o u t 数据的双向的单一6 4 字节缓冲区。当控制传输时存在数据段f x 2 固件就读取或填写e p 0 缓冲区。e p i l n 和e p l o u t 使用分开的6 4 字节缓冲。f x 2 固件可配置e p i l n 和e p i o u t端点为批、中断或同步传输端点。e p 0 ，e p i l n 和e p l o u t 作为6 4 字节的小端点，只能由f x 2 固件程序访问，也就是只能由c p u 访问，且不能直接连接到外部逻辑。端点2 、4 、6 和8 是高带宽的大数据端点，可任意配置以满足u s b 2 。0 规定的高带宽需求，虽然数据通常通过在f i f o 接口控制下的大端点缓冲区传输，但是，c p u 在需要的情况下也能够访问大端点。可以实现双缓冲、三缓冲或四缓冲。当数据吞吐速率类似时，多缓冲机制减少或消除了u s b 和外部接口相互等待的需要，而显著提高u s b 带宽性能。1 4第二章系统硬件电路的设计4 、f x 2 的外部的f i f o 接口u s b 设备采集完的数据送往主机主要分两个阶段：一是数据由外部存储区传输到u s b 总线控制器c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的缓冲区；二是数据由缓冲区传送到主机内存。在第一阶段，e zu s bf x 2l p 系列芯片采用三种可用的接口模式：端口、g p i f 主控和从f i f o 。( 1 ) 端口模式：所有i o 管脚都可作为8 0 5 l 的通用i ol ；支持1 1 全速方式；数据传输时，8 0 5l ( n 件程序) 参与。( 2 ) g p i f 主控模式：g p i f 作为内部的主控制器与外部f i f o 直接相连，并产生用户可编程的控制信号与外部接口进行通信；支持2 0 高速方式和1 1 全速模式；数据传输时，8 0 5 l ( n 件程序) 不参与。( 3 ) 从f i f o 模式：外部逻辑或外部处理器直接与f x 2 端点f i f o 相连，可直接控制；外部主控端既可以是异步方式，也可是同步方式，并能为f x 2 接口提供自己的独立时钟；支持2 0 高速方式和1 1 全速模式；数据传输时，8 0 5 l ( 固件程序) 不参与。5 、f x 2 中断系统e z u s bf x 2 l p 的中断结构是标准8 0 5 1 中断结构的增强和扩展，比标准的8 0