（电力电子与电力传动专业论文）微机接口实验系统的开发与研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea p p i c a t i o no fc o m p u t e rh a se n t e r e di n t oa l m o s te v e r yf i e l dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e r nt e c h n o l o g y ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt og r a s p c o m p u t e rs y s t e ma n dt h ei n t e r f a c et e c h n o l o g y t h e r ei sg r e a tc h a n g ei nt h em p u ，c o m p u t e ri n t e r f a c ea n do p e r a t i o ns y s t e mw it ht h ed e v e l o p m e n t o f t h ec o m p u t e r i ti s i nt h ed e s i r eo fm e e t i n gt h i sc h a n g e ，n e we x p e r i m e n tk i ti sd e s i g n e d f o rc o m p u t e ri n t e r f a c ee x p e r i m e n t a tf i r s t ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o oo fc o m p u t e ri n t e r f a c et e a c h i n ga n dt h ei m p o r t a n c eo f d e v e l o p i n ga d v a n c e de x p e r i m e n ts y s t e ma r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，t h ee x p e r i m e n tk i t sa r e e x p a t i a t e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：s y s t e ms t r u c t u r e ，e v e r yf a n c t i o nm o d u l e s ，i t sr e l a t e d t h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d s p e c i a l l y ，t h ei n t r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o no fe d aa n dp c it e c h n o l o g y w a se m p h a s i z e d t h e n i ti n t r o d u c e st h ee x t e n d e df u n c t i o n 一d a t ac o l l e c t i o na n d s e l f d i a g n o s i s f o u r t h l y ，as y n t h e t i ce x a m p l eisc r e a t e dt oe x p l a i nt h es p e c i a l t ya n da d v a n t a g e o ft h ee x p e r i m e n tk i ti nt h es t a n d p o i n to f r e a la p p l i c a t i o no fi t a tl a s t ，t h es u m m a r yi s m a d ea n ds h o r t a g e sa r ep o i n t e do u t i nt h ed i s c u s s i n go fe d a ，t h ed i f f e r e n c ea n dc h o o s i n gm e t h o db e t w e e nf f g aa n dc p l do nl o g i c u n i t ，p r o g r a m m a b l el i n ea n dp r o g r a mt e c h n i q u e sa r ec l a r i f i e d m e a n w h i l e ，t h ea p p i c a t i o no f e d ad e s i g nm e t h o d ，v h d lp r o g r a mt e c h n o l o g ya n dt h ed e f i n i t i o no fc p l d ss u b p r o g r a ma r e d i s c u s s e di nt h ec h a p t e ro fe d at e c h n o l o g y i nt h es e c t i o no fp c it e c h n o l o g y ，t h e r ea r em a n y e x p l a n a t i o n ss u c ha sc h a r a c t e r i s t i c ，d e f i n i t i o n ，c o m m a n d ，b a s i ct r a n s f e rc o n t r o l ，r e a da n d w r i t eo p e r a t i o n ，c o n f i g u r a t i o ns p a c eo fp c ib u s m e a n w h i l e ，t h ef u n c t i o no fp c i 9 0 5 2 ，t h ed e s i g n o fp c ii n t e r f a c ea n d t h ec o n f i g u r a t i o no ft h er e g i s t e r sa r ea l s od e s c r i b e d i nt h i sp a p e r t h et h e o r yi sc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a la p p l i c a t i o n 、t h er e f a t e dt h e o r yi s i n t r o d u c e da tf i r s t ，a n dt h ea p p l i c a t i o ni sd e m o n s t r a t e dl a t e r ，w h i c hm a k e st h ep a p e rm o r e r e a d a b l e 【k e y w o r d s c o m p u t e ri n t e r f a c e ，e d at e c h n o l o g y ，f p 6 a ，c p l d ，p c ib u s ，d a t ac o l l e c t i o n ， s e l f d i a g n o s i s u 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：璐日期：占! 叫 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可毗公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：辩导师签名：牡日期：c 玉塑固二砷 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 计算机的产生和发展是2 0 世纪最重要的科技成果之一，进入2 0 世纪7 0 年代，微型计算机开始登 上历史舞台，并以不可阻挡的势头迅猛发展，成为当今计算机发展的一个主流方向。当前，以微型计算 机为代表的计算机已日益普及，其应用已深入到社会的各个角落，极大地改变着人们的工作方式、学习 方式和生活方式，成为信息时代的主要标志。 微处理器作为微机的核心部件从早期的8 0 8 6 发展到1 6 位的8 0 8 6 、3 2 位的8 0 3 8 6 以及奔腾系列，已经 历了6 代的变化，在2 0 0 1 年，i n t e l 公司又推出了6 4 位的i t a n i u m 。从8 0 3 8 6 开始的3 2 位8 0 x 8 6 系列c p u 提出 了实模式、保护模式、虚拟8 0 8 6 模式三种工作模式的概念。在实模式下c p u 相当于一个可以进行3 2 位处 理的快速8 0 8 6 ；保护模式下，c p u 采用了特权级检查机制，先进的存储管理机制。新的中断异常处理机 制以及从硬件上支持了多任务管理。目前微机主流操作系统都是基于c p u 的保护模式来工作的，虚拟8 0 8 6 模式是在多任务处理环境中模拟一个8 0 8 6 c p u 执行环境，该虚拟环境是工作在保护模式下多个任务中的 一个任务。1 随着微机价格的逐年下降，微机迅速在各个领域得到广泛应用，因而掌握微机系统知识及接口技术 就显得尤为重要。在微机接e l 技术及微机原理的教学当中，学生不仅应该掌握原理，更要学会应用，要 做到理论与实际相结合。另外，接口技术的学习不仅仅是硬件上的设计与分析，还应该包括接口软件的 编写。 “微机接口及其应用”是电气信息类专业的主要学科之一，是自动控制、工业自动化、电气技术、 电力系统及其自动化、自动化仪表等自动化类专业的一门重要的专业基础课，也是无线电类、机械类等 其它许多非自动化类专业的一门专业基础谍。 微机接口实验课程可以很好地配合“微型计算机原理及应用”、“微型计算机接口技术”、“微 型计算机测控技术”、“电子系统综合设计”等课程的实验。通过实验教学与相关课程教学相结合，可 以使学生了解微型计算机的基本知识、基本组成、体系结构和工作模式，能较清楚的了解微机的结构与 工作流程，建立起系统的概念。同时，还能使学生建立起“程序存储和程序控制”的牢固概念，培养学 生进行微机扩展的应用能力和独立分析问题、解决问题的能力。 为了使微机接口实验课程得以更好地开展，开发相应的微机接口实验系统就成为必然。现代计算机 技术的快速发展要求微机接r n 的教学必须紧跟技术发展的步伐，否则也就失去了其应有的现实意义。相 应地，配套的实验系统也需要及时地更新换代，本文正是适应这样的需要对微机接e l 实验系统的开发进 行了研究。 1 2 微机接口实验教学分析 l _ 2 1 微机接口实验课程的必要性 现代科学技术的发展，将微机的应用带入各个领域，掌握微机系统知识及微机接口技术就显得尤为 重要纵观微机的发展，无论是微处理器、微机接口，还是微机操作平台都产生了巨大的变化。学校作 为知识传播的主要基地，计算机教学也应适应科技发展的需要。培养出更适合社会发展需要的人才。 微机接口是一门理论性和实践性都很强的课程，是计算机、自动化、通讯工程、机电一体化等多个 专业的专业基础课，是培养学生的微机软、硬件设计与应用能力、工程意识、工程素质和创新能力的 东南大学硕士论文 门必修课。因此，要使学生掌握这门课程，必须在重视理论教学的同时，充分重视实验教学。要通过实 验教学环节增强学生动手解决实际问题的能力。【u 4 由于微机接口是工科一门以实验为主的公共基础实验课，实验教学可以激发学生学习微机接口的兴 趣，帮助学生形成接1 3 概念，获得接口知识和实验技能，培养观察能力和实验能力，还有助于培养实事 求是、严肃认真的科学态度和科学的学习方法。因此实验教学是微机接口教学过程中至关重要的教学手 段和全面提高学生素质的有效途径。 1 2 2 微机接口实验教学的现状及分析 目前很多微机接1 3 实验课程是以灌输的方式让学生完成一些相互独立的实验，希望学生掌握微机 软、硬件设计的一些基本方法，结果学生在做完实验后仍然缺乏解决实际问题的能力。 实验教学过程中，很多学生总是跟着老师的指导或按实验指导书走，无法发挥学生的想象力和主观 能动性。如：硬件扩展方面，机械地照搬实验指导书或实验指导书中所给接线图，进行连线。在软件方 面学生往往将实验指导书中的例程送到实验开发机中，只要操作正确，连线无误，则必定会得到正确 的结果。做这种实验时，学生往往只注重实验结果的正确与否，对软、硬件设计及调试等问题不甚了解。 微机接口实验教学中存在以上的问题，教学方法、学生的主观能动性及一些相关的考核制度固然是 重要原因，但配备符合教学需要的实验设备也起着举足轻重的作用。传统的微机系统与接口实验开发系 统采用大量的分立元件构成，并与计算机的i s a 总线相连。在计算机的主板上i s a 总线逐渐淡出为了验 证汇编语言和计算机接e l 实验，很多用户只能继续使用老式的机器，在d o s 界面下进行调试。目前国内 新开发的的微机原理实验装置虽然较好地解决了总线兼容的问题，但大多数实验装置在融) 、c p l d f p g a 开发技术、数据采集及自诊断技术方面依然有所欠缺，本文所研究的微机接口实验装置在这些方面都作 出了独创性的研究与开发，整个系统的设计融合t c p l d 设计技术，配备f p g a 可编程逻辑接e l ，同时系统 还增加了采用u s b 通讯接口的数据采集模块。 2 第二章微机接口实验装置设计 2 i 系统概述 第二章微机接口实验装置设计 本文研究开发的微机接口实验装置主要由电源保护、v f k f v 、放大器、2 3 2 4 8 5 接口、可编程串行 接口8 2 5 1 、并行接口8 2 5 5 、可编程定时计数器8 2 5 3 、a d d a 、e p p 接口、8 位l e d 指示灯、数码管显 示、l c d 显示、4 x 4 键盘、1 6 位开关量输入、逻辑笔、电压表头、f l a s h 、s r a m 、c p l d 控制及译码电路、 f p g a 可编程模块等组成，几乎可完成与微机原理课程教学相关的所有实验。由于该实验系统中包含了 p c i i s a 转换接口，这就有效地解决了新旧p c 机在总线接口使用问题上所面临的矛盾。8 2 5 1 、8 2 5 3 、 8 2 5 5 、e f p 接口使该实验装置能完成所有串、并口的实验；1 2 位的单路a d 和1 2 位双路d a 多路切换开 关c d 4 0 5 1 可使学生灵活进行多种数模、模数转换的实验；6 4 1 6 位的f l a s h 和s r a m 可完成有关存贮 器读写及d m a 传送的实验：c p l d 控制着整个实验系统的地址选通信号、e p p 数据双向传输及8 2 5 1 、8 2 5 3 、 8 2 5 5 、l c d 的读写控制信号；f p g a 可编程模块可实现各种在系统可编程的实验。此外，v f f v 、放大器、 逻辑笔及脉冲发生器、电压表头、1 6 位开关量输入、4 x 4 键盘、8 位l e d 、数码管显示、l c d 显示等工 具模块使整个实验系统使用更加方便，采用端子引出的p c b 结构使实验的设计更加灵活。 通过合理使用这一实验系统，我们可以在微机原理教学过程中较好地做到以下几点： ( 1 ) 加强教学的直观性：演示实验通过实际的元件、电路和系统化抽象为直观： ( 2 ) 加强教学的互动性：大量增加学生动手实验的机会，将理论教学与动手实验晟大程度的连接起 来，以实验激发学生的学习主动性； ( 3 )加强教学的层次性：实验装置能够实现元件级、电路级、系统级等多层次的实验内容，能够进 行有效的扩展，能够针对不同学生的认知水平： ( 4 )加强教学的先进性：这是微机技术的飞速发展必然要求，其实验设备必须不断推陈出新。紧跟 实际运用的需要。 微机接口实验系统在有效解决了p c i i s a 接口问题的基础上，增加了实验系统的开放能力和灵活性， 具有良好的可扩充性和连接性。它不仅使一些典型的微机接口实验方便，而且对一些计算机硬件要求较 高的专业提供了锻炼学生动手能力、发挥创造才能的平台，其结构如图2 - 1 所示： 图2 一l 系统框图 实验装置可以完成“微型计算机原理及应用”、“微型计算机接口技术”、“微型计算机测控技术”、 “电子系统综合设计”等课程的实验，具备以下功能特性： 3 东南大学硕士论文 1 p c 总线的接口可以选择i s a 总线或p c i 局部总线接口方式： 2 配备开关电源及电源保护电路，可实现过流、过压、欠压保护； 3 配置可编程输入输出接口8 2 5 5 、8 2 5 3 、8 2 5 1 ： 4 配备1 6 位静态存储器模块、1 6 位f l a s h 模块； 5 配备a d 模数转换通道，由1 2 位a d c 、多路模拟开关构成； 6 配备d a 数模转换通道，由双通道并行电压输出d a c 构成； 7 配置v f 、f v ，使用l m 3 3 1 作为v f 、f v 的转换器； 8 提供上述设备的地址译码和读写控制信号； 9 具备状态输出指示：动态l e d 数码管显示器、l e d 指示灯及1 6 x 2 液晶显示； 1 0 配置状态输入接口：拨动开关、拨码盘、4 x 4 矩阵键盘、单脉冲、脉冲序列、连续脉冲； 1 1 配置多种通信接口。同时提供r s - - 2 3 2 、r s - - 4 8 5 及e p p 接口： 1 2 配置逻辑状态显示模块，具有逻辑电平测试和脉冲测试及显示功能： 1 3 配置f p g a 可编程模块，可以实现f p g a 可编程逻辑实验。 本文所研究的实验系统具有安全、稳定、可读、可调整、直观、灵活和新颖等特点，具体描述如下： 1 安全性 该实验系统具有参数可调节的电源保护电路，可实现过流、过压及欠压保护，保证实验装置在出现 意外情况时能得到及时保护，元器件和电子线路能得到最大限度的保护。整个实验箱的电源部分的设计， 可保证实验装置在正常工作或故障状态下，不会危及操作或维护人员的人身安全。 2 可白检测 实验装置具有自诊断接口，加装自诊断模块时，可以完成对实验装置硬件的自诊断测试。自诊断结 果可以通过装置自身的显示器及u s b 接口将数据传送到p c 机进行数据处理。白诊断结果中包含故障点 信息、可能的故障情况和故障排除方法。 3 直观性 实验装置功能模块的主要电气原理或特征将在电路板上指示，实验装置各功能引脚的符号标注在电 路板上。 4 灵活性 实验装置采用主板和各模块分离的设计，可编程器件装配在独立模块上。通过选择模块可以选择不 同厂家、不同型号、不同规模的可编程器件，既可适应不同教学需要，也使系统的功能和规模扩展变得 更为方便。 为了方便实验操作，减少对实验仪器仪表的依赖，实验装置主板上各部分功能模块几乎都是相互独 立的，可以根据需要选择模块进行接线。 实验装置提供接线、扩展集成插座和部分必须的分立元件等，留有足够的接线机会，也给实验装置 留有足够的机动灵活性。 5 新颖性 实验装置提供了逻辑可编程实验平台，可实现f p g a 在线编程、调试实验，使学生在了解传统微机 原理实验的基础上，学会如何使用原理图、v h d l 、v e r i l o g 语言等方法进行可编程逻辑设计。根据需要 可选择不同功能芯片的模块插接到实验主板上。 2 2 电源保护电路 该电路主要由电压输出控制、电流采样及放大、过压检测、欠压检测、故障保持等几部分组成 具有过流、过压、欠压保护功能，且参数可以调节。其基本结构见图2 2 ： 4 第二章微机接口实验装置设计 图2 2 电源保护结构图 过流保护电路通过采样电阻r 得到电压信号，经差动放大电路( 图2 3 ) 放大后，送至电压比较器的 正端与电路中所提供的阈值电压进行比较，当系统工作电流超过设定值时，差动放大电路中的输出电 压大于比较器的阈值电压，比较器输出高电平，三极管t 导通，电压输出控制器k a 2 7 8 r 0 5 的使能端通 过t 接地，从而输出截止。此时由保持电路使输出使能端维持低电平，以防止在故障排除前输出电压不 断地在正常与截止之间跳变。 输出电流的调节范围可由采样电阻、差动放大电路的放大倍数及比较器的阈值电压共同决定，在 具体使用中可根据不同情况灵活地设置电流调节参数。在采样电阻和比较器的阈值电压均已经确定的情 况下，通过调节电位器r m 改变差动放大电路的放大倍数来达到控制输出电流的目的。在该电路中， r 3 = r 4 = r 5 = r 6 ，r i = r 2 ，输出电压可由以下表达式得到：v 。= 一( 1 + 2 r 1 r 。) ( v 。一v 。2 ) 。 图2 3 差动放大电路 过、欠电压保护电路均采用电压监测元件h t 7 0 4 4 a 来实现，如图2 - 4 所示。在过压保护电路中， h t 7 0 4 4 a 的监测电压的典型值为v d e t = 4 4 v ，磁滞电压宽度的典型值为0 2 2 v 。在v 。为正常值时，凋节电 位器r w l 使u l 的2 脚电压为v * t ( - j ( 监测电压) ，当由于外部原因造成电源电压升高，使u 1 的2 脚电压 大于v 一+ ，( 断开电压) 时，u l 的l 脚输出高阻，q 2 导通，输出使能端被拉低，输出截止，同时故障保 持电路工作，使输出截止可靠。 在欠压保护电路中，类似地在v * 为正常值时，调节电位器r w 2 使u 2 的2 脚电压为v 。，当由于 外界原因造成电源电压下降i 使u 2 的2 脚电压低于v 一一，时，u 2 的1 脚输出低电平，输出使能端被拉 低，输出截止，同时故障保持电路工作，使输出截止可靠。3 调节过压、欠压保护的原理参见“h t 7 0 v o l t a g ed e t e c t o r 使用手册”。” 5 东南大学硕士论文 输 图2 - 4 过压欠压检测电路 故障保持部分的原理如图2 5 所示，在过流保护、过压保护、欠压保护电路中，当至少有一个电路 故障时，三极管q 2 的集电极都会被拉成低电平，使三极管q l 导通，由q 1 和q 2 组成的故障保护电路， 使输出使能端为低电平，确保电路发生故障后整个电路板的负载电源被可靠关断。当故障被可靠排除后， 需要按一下复位开关s w 才能使电路重新正常工作。 电路正常工作时，二极管d 1 和d 2 均处于截止状态，在a 点加一接地电阻r 6 ，是为了使q 2 工作可 靠。 输出使能 2 3 通讯接口 图2 - 5 故障保持电路 制 制 用微机组成一个实际的应用系统，除微机本身外，关键的技术就是接口技术。任何一个微机应用系 统的研制和开发，实际上主要就是微机接口的研制和设计，需要设计的硬件就是接口电路。 通讯有两种基本方式：并行通讯和串行通讯。并行通讯就是数据的各位( 字节字) 在多传输线上 同时从发送端( 源端) 传送到接收端( 目的端) ，如图2 6 ( a ) 所示。并行通讯的特点是：控制简单、 传送速度快，使用的传输线多，通讯成本高。特别是随着通讯距离的增加，通讯成本和可靠性将成为最 突出的问题。因此，并行通讯适用于近距离、高速数据传输的场合。串行通讯就是数据在一根传输线上 由低位到商位一位一位地顺序传输，如图2 - 6 ( b ) 所示。通常计算机之间、计算机与串行外设之间以 及实时多处理分级分布式控制系统中各c p u 闻都采用串行通讯方式交换数据。串行通讯的特点是：” ( 1 ) 通讯距离远，通讯成本低。由于串行通讯只需一根传输线，所以通讯成本较低，尤其在远程传 送时更为明显； ( 2 ) 串行通讯可以方便地利用已有的现代通讯技术和设备，使计算机技术和通讯技术密切结合，促 6 第二章微机接口实验装置设计 使数据通讯和计算机网络技术发展； ( 3 )串行通讯要求数据有固定格式，通讯过程的控制要比并行通讯更为复杂 ( 4 )串行通讯的速率较低。 11 i 发： o 接 1 送? 9 j - o 准备 应答 ( a ) 并行通讯 厂 一1 一 _ t 卜 卜一8 t 叫 r _ 叫l ( b ) 串行通讯 图2 - 6 并行与串行通讯示意图 除p c i 总线接口外，本文所涉及到的接口电路主要有串行接口r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 ，可编程串行通讯 接口8 2 5 1 ，可编程定时计数器8 2 5 3 ，可编程并行接口8 2 5 5 ，增强型并行接口e p p 等，以下分别作以 简单介绍。 1 串行通信接口r s - 2 3 2 和r s 一4 8 5 ”1 目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 一2 3 2 被定义为一种在低速率串 行通信中增加通信距离的单端标准。r s 一2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。典型的r s - 2 3 2 信 号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+ 5 + 1 5 v ，负电平在一5 一1 5 v 电 平。当无数据传输时，线上为t t l ，从开始传送数据到结束，线上电平从t t l 电平到r s 一2 3 2 电平再返 回t t l 电平。接收器典型的工作电平在+ 3 + 1 2 v 与一3 一1 2 v 。r s 一2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、发 设备) 通信而设计的，其驱动器负载为3 7 k q 。由于r s - 2 3 2 发送电平与接收电平的差仅为2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约1 5 米，标准速率可 达2 0 k b s 。 为扩展应用范围，e i a 在r s 一4 2 2 的基础上制定了r s 一4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，通常 在要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用r s 一4 8 5 收发器。r s 一4 8 5 收发器采用平衡发送和差分接 收，即在发送端。驱动器将t t l 电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成t t l 电平，因此具有较强的抑制共模干扰能力，加上接收器具有较商的灵敏度，能检测低达2 0 0 m v 的电压， 故数据传输可达千米以外。 r s 一4 8 5 许多电气规定与r s 一4 2 2 相仿，如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终结电阻等。 r s 一4 8 5 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与r s 一4 2 2 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主( m a s t e r ) 设备，其余为从设备，但它比r s - 4 2 2 有改进， 无论四线还是二线连接方式总线上可连接多达3 2 个设备。 r s 一4 8 5 共模输出电压在一7 v 至+ 1 2 v 之间，接收器最小输入阻抗为1 2 k q 。r s 一4 8 5 与r s 一4 2 2 一样， 最大传输速率为l o s 。当波特率为1 2 0 0 b p s 时，最大传输距离理论上可达1 5 千米。平衡双绞线的长 度与传输速率成反比，在l o o k b s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。r s 一4 8 5 需要2 个终结 电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终结电阻， 一般在3 0 0 米以下不需终结电阻。 2 可编程串行接口8 2 5 1 i n t e l8 2 5 1 a 是通用同步异步数据接收发送器( u a r t ) ，其基本性能如下：” 【1 ) 工作于全双工方式，通过编程工作于同步或异步通讯方式。 7 东南大学硕士论文 ( 2 )工作在同步方式，每个字符可用5 、6 、7 或8 位来表示，波特率可为0 - - 6 4 k ，同步方式可选择 内同步或外同步。内同步方式时，内部还可自动检测同步字符，从而实现同步。此外，同步方式下还可 增加奇偶校验位进行校验。 ( 3 )工作在异步方式，每个字符也可用5 、6 、7 或8 位来表示，能为每个字符自动增加起始位：停 止位，异步传送的波特率为0 1 9 2 k ，波特率系数可为1 、1 6 或6 4 。 ( 4 )具有三种错误检测功能：奇偶校验错、溢出错和帧格式错。 8 2 5 1 内部由数据总线缓冲器、接收器、发送器、读写控制逻辑和调制解调控制电路5 部分组成， 各部件之间通过内部数据总线相互通讯。 8 2 5 1 是一个可编程串行通讯接口芯片，在使用前必须对它进行初始化，以确定它的工作方式、传 送速率、数据格式等。对8 2 5 1 的初始化编程需使用以下控制命令： ( 1 ) 方式选择控制字 方式选择控制字是用来确定8 2 5 1 的通讯方式( 同步还是异步) 和数据格式。方式选择控制字写入 8 2 5 1 的控制口( 奇地址端口) ，方式字包括同步方式字和异步方式字两种。 ( 2 ) 操作命令字 操作命令字的作用是确定8 2 5 1 的数据传送方向以及与传送方向相适应的工作状态。操作命令字写 入8 2 5 1 的控制口( 奇地址端口) 。 ( 3 ) 状态字 8 2 5 1 执行c p u 各种命令，使数据传送时建立的各种工作状态存放在状态寄存器中，称为状态字。 当c p u 需要了解8 2 5 1 的当前工作状态决定下一步操作时，可以随时用i n 指令读取状态寄存器中的内容， 以检测8 2 5 1 的当前工作状态。 3 可编程定时计数器8 2 5 3 8 2 5 3 内部由数据总线缓冲器、读写控制电路、控制字寄存器和3 个结构完全相同的计数器共6 个 部分组成。其主要特点是：” ( 1 ) 具有3 个独立的1 6 位减1 计数器； ( 2 ) 可按二进制或十进制( b c d ) 计数： ( 3 )有6 种不同的工作方式，这些工作方式均可由软件来设定。 8 2 5 3 的工作方式、计数方式、操作方式的确定和通道的选择等都是由控制字来确定的。 4 可编程并行接口8 2 5 5 8 2 5 5 由数据总线缓冲器、读写控制逻辑、3 个8 位的数据口组成，其中c 口还可作为两个4 位口 来使用。三个数据i z i 均可用软件来设置成输入e l 或输出口，与外设相连。8 2 5 5 具有3 种工作方式：方 式0 、方式1 、方式2 。可适应c p u 与外设间的多种数据传送方式，如无条件传送( 0 方式，也叫同步传 送) ，异步查询方式和中断方式。” 8 2 5 5 有两个控制字：方式选择控制字和c 口按位置位复位控制字。这两个控制字是用户使用8 2 5 5 构成各种并行接口电路进行初始化和产生联络控制信号的重要工具。1 5 增强型并行接口e p p 最常见的计算机并口模式是s p p 模式( 标准并行口) ，该模式数据传输是单向的，如果要完成数据 的输入就不得利用状态线，故读入一个数据就需要进行好几次的i 0 读周期，因此传输速度就不可能做 到很高，仅能做到1 5 0 k b s 。其外围设计电路并不比e p p 简单，因此s p p 在数据采集与控制系统中很少 应用。e p p 可以在一个i s a 总线周期，即大约l m s 的时间内完成包括握手联络在内的一字节数据读写工 作。数据线是双向的，一个控制信号负责确定数据端口的方向，另外两个控制信号则被用来区分数据线 上地址信息。 e p p 协议与标准并行口兼容而且能够完成双向数据传输的协议。它提供了四种数据传送周期：数据 读周期、数据写周期、地址读周期、地址写周期。数据周期一般用于主机与外设之间进行数据传送；地 址周期一般用于传送地址、通道、命令和控制等信息。e p p 使用了8 个寄存器，其中基址+ 5 基址+ 7 寄存器没有被定义，可被用于1 6 3 2 位数据传输、接口配置或用户定义。3 e p p 接口电路通过c p l d 与p c 总线相连。通过c p l d 控制e p p 接口与p c 、外设的数据传输，采用两 片7 4 l s 2 4 5 来提高其数据、控制、状态总线的驱动能力。e p p 的数据传输方向由p c 的读写线经c p l d 8 第二章微机接口实验装置设计 逻辑组合后来控制，片选信号也由c p l d 编程设定，其基地址可由用户编程设定，只要端口地址在c p l d 译码电路所设定的i 0 端口地址范围内即可。 e p p 的读写过程分地址写入周期、数据写入周期、地址读取周期、数据读取周期，在e p p 编程时， 要保证数据的传输符合其各个读写时序，每一次读写后，应检查状态寄存器是否发生错误。如果 t i m e o u t 位被置位，下一次e p p 数据和地址口的读写操作都将无效，因而每次e p p 操作后对该位的检测 是必要的。t i m e o u t 位为状态寄存器( 基地址+ 1 ) 的第0 位。e p p 传输所规定的最小时限很短，因此e p p 传输可以以非常快的速度进行。对于n a s t r o b e 和n d s t r o b e 脉宽的唯一限制是，它们必须足以被接收设 备探测到，在p c 上，一次完整的e p p 传输可以在一个i s a 总线i o 周期内完成，这就是说接口访问能 以总线速度进行。 2 4f p g a 可编程模块及c p l d 地址译码读写控制模块 2 4 1e d a 技术及应用 e d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g n a u t o m a t i o n ) 即电子设计自动化技术，是一种以计算机为基本工作平台， 利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以及人工智能学等多种应用学科的最新成果而开发出来的一 整套软件工具，是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合技术。 总的来说，现代e d a 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。它主要采 用并行工程和“自顶向下”的设计方法，从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计， 在方框图一级进行仿真、纠错，并用v h d l 、v e r i i o g - h d l 、a b e l 等硬件描述语言对高层次的系统行为进 行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的 物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。近几年来，硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化、 不同设计风格和应用的要求导致各具特色的e d a 工具被集成在同一个工作站上，从而使e d a 框架日趋标 准化。 e d a 工具的发展经历了两个大的阶段：物理工具和逻辑工具。现在e d a 和系统设计工具正逐渐被理 解成一个整体的概念：电子系统设计自动化。物理工具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、 印刷电路板布线等等；逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念，首先由原理图编辑器或硬件 描述语言进行设计输入，然后利用e d a 系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物理工具可以接受 的网表或v h d l 、v e r i l o g h d l 的结构化描述。现在常见的e d a 工具有编辑器、仿真器、检查分析工具、 优化综合工具等等。 利用e d a 技术进行电子系统设计实质上就是用软件的方式设计硬件，它最突出的优点就是软件方式 设计的系统到硬件系统的转换是由相关的开发软件自动完成的，设计过程中可使用有关软件进行各种仿 真，系统可现场编程、在线升级，整个系统可集成在一个芯片上，体积小。功耗低，可靠性高。正是这 些优点，使得e d a 技术成为现代电子设计的发展趋势。“ 本文所研究的课题包括了c p l d 和f p g a 的设计，其中c p l d 采用了x i l i n x 公司的x c 9 5 1 4 4 ，软件设计部 分采用了“自顶向下”的设计方法。首先确定t c p l d 需要实现的整体功能，并分成各个功能模块，在设 计具体功能模块的实现时，再将其进行细分，直至最后所有的功能都可以由开发工具所提供的功能模块 或开发者自建功能单元来得到为止。f p g a 的设计在本文中只提供了硬件部分的设计及应用实例中的软件 开发，因为这部分的软件设计是随不同的实验而不同的，是由实验设计者在设计不同的实验时完成的。 建议实验设计者在进行功能较为复杂一些f p g a 程序设计时也采用“自项向下”的设计方法，这样由于整 个设计是从系统顶层开始的，结合模拟手段，可以从一开始就掌握所要实现系统的性能状况，结合具体 要求，在此时就可以调整设计方案，进行性能优化。随着设计层次向下进行，系统性能参数将得到进一 步的细化与确认，并随时可以根据需要加以调整，从而保证了设计结果的正确性，缩短了设计周期。 9 东南大学硕士论文 2 4 2f p g a 与c p l d 的比较与选择 f p g a 和c p l d 都是由逻辑单元、可编程i 0 和可编程连线三部分组成的。可编程i 0 的功能基本一 致，逻辑单元、可编程连线以及编程工艺则各不相同，它们的区别又决定了它们应用范围的差别。 除了a c t e l 公司的f p g a ，其他任一种f p g a 和c p l d 的逻辑单元本身的结构都由与阵列、或阵列和 可配置的输出宏单元组成。每个f p g a 逻辑单元只有l 到2 个触发器，其输入变量数通常只有几个，因 而采用查找表结构( 即p r o m 形式) 。这样的工艺结构占用芯片面积小，速度高( 通常只有l n s 。2 n s ) ， 每块芯片上能集成的单元数多，但逻辑单元的功能弱。如欲实现一个较复杂的功能，需要几个这样的单 元组合才能完成( 总延时是各个单元延时和互连延时的和) ，互连关系复杂。 每个c p l d 的逻辑单元通常变量数约为2 0 - 2 8 个。因为变量多，所以采用p a l 结构。由于单元功能 强大，一般的逻辑在单元内均可实现，其互连关系简单，一般通过集总总线即可实现。电路的延时通常 就是单元本身和集总总线的延时，但同样集成规模的芯片触发器的数量少得多。 从上面分析可知，f p g a 具有集成度高、布线编程更灵活、延时较难预测、触发器数量较多、功耗 较小等特点；相应地，c p l d 具有集成度低、布线编程不够灵活、延时可预测、触发器数量较少、功耗 较大的特点。表2 - 1 总结了f p g a 与c p l d 的结构与性能比较。1 根据f p g a 和c p l d 的以上特性，在实验装置主板中的控制模块中选择了x i l i n x 公司x c 9 5 1 4 4 型 c p l d 。因为在该模块中，可编程逻辑器件的主要功能是地址译码，数据传送，以组合逻辑电路为主，且 组合逻辑电路较为复杂，对延时要求可预测。另外，c p l d 可加密，保密性能较好，而实验装置中该芯 片的程穿是无需改变且需要保密的，所以在该控制模块中更宜选择c p l d 。 在下载板中，一方面，可编程逻辑器件主要用来进行一些时序逻辑实验，f p g a 在逻辑资源、低功 耗等方面就具有比较明显的优势；另一方面。由于下载板是用来进行实验例程验证，以使使用者对可编 程逻辑器件有更好的了解，需要进行多次程序下载，器件无需加密。因此，在下载板中，可编程逻辑器 件更适合选择f p g a 。 比较项目 f p g a c p l d 容量 中、高低、中 互连方式分段总线、长线、直接互连集总总线 时延特性 变化，不可预测 固定可预测 c m o s 工艺s r a m 、反熔丝e p r o m 、e 2 p r o m 、f l a s h 、s r a m 器件性能较好 好 器件利用率较好 好 是否需手工布线需要不需要 重复可编程性可以( 仅对s r a m ) 可以 在线可重构可以( 仅对s r a m )可以( 仅对s r a m ) 编译时间慢快 功耗较低较高 加密性能不可加密保密性能差可加密，保密性能好 使用场合数据型系统逻辑型系统 表2 - 1f p g a 与c p l d 性能、结构比较 2 4 3e d a 方法开发f p g a 与c p l d 的流程 1 实验装盟中f p g a 和c p l d 电路功能简介 本实验装置中的c p l d 控制模块负责整个实验装置中各个功能子模块的地址译码、e p p 数据传输、 数码管段码、位码控制、l c d 读写控制及主板与数据采集及自诊断板、下载板之间的信号联络，是本实 验装置的一个主要部分。c p l d 采用x c 9 5 1 4 4 x l ，1 4 4 脚t o f p 封装，11 7 个用户i 0 。x c 9 5 1 4 4 的最高工 1 0 第二章微机接口实验装置设计 作频率可达1 7 8 删z ，电源电压为3 3 v ，i o 可兼容5 v 输入，根据设置的不同，可以得到3 3 v 和2 5 v 两种输出电压，但在本实验装置中由于无需使用2 5 v 输出电压，所以输出电压的高电平均设置为3 3 v 。 x c 9 5 1 4 4 的电源由l m l l l 7 提供，l m l l l 7 可在4 7 5 v i o v 输入电压的条件下输出3 3 v ( 1 ) 的稳定 电压，最大输出电流为8 0 0 m a 。 c p l d 工作时钟由8 m n z 有源晶振产生，经过c p l d 编程产生分频电路，得到2 、4 、8 、1 6 、3 2 分频 信号，为整个实验装置提供不同频率的时钟信号源。 系统提供1 2 个片选信号输出端，其中1 0 个为i o 读写接口使用，其口地址分别为：0 0 0 h 0 0 7 h 、 0 0 8 h o o f h 、o i o h 0 1 7 h 、0 1 8 一o i f h 、0 2 0 h 一0 2 7 h 、0 2 8 h 一0 2 f i i 、0 3 0 h 一0 3 7 h 、0 3 8 h 一0 3 f h 、0 4 0 h 一0 4 7