数控操作面板控制功能的CPLD实现方法

1、 本文由beiketong681贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2008年第 5期 文章编号 : 1001 - 2265 ( 2008) 05 - 0051 - 04 控制与检测 ? 数控操作面板控制功能的 CPLD 实现方法 张晶 ,王立松 1 1, 2, 李铁才 2 (1. 华南理工大学 ,广州 510640; 2. 深圳航天科技创新研究院 ,深圳 510000) 摘要 :文章针对数控操作面板 ,研究将其控制功能在 结果 。该方法采用一片 操作面板需处理的 IO 节点多 ,同时硬件空间受限的矛盾 。 关键词 :数控系统 ; CPL

2、D;键盘扫描 文献标识码 文献标识码 : A 中图分类号 : TG65 CPLD 中实现方法 。首先介绍了系统工作原理及整 120个 IO 点的处理 ,有效解决了数控 体结构 ,接着重点讨论了键盘扫描及去抖动电路与串行通信电路的实现方法 ,最后给出正确的仿真实验 CPLD 芯片可最多完成 Im plem en ta tion of Con trol Function s of the CNC Con tro l Panel w ith CPLD ZHANG J ing , WANG L i2song1, 2 , L I Tie2cai2 1 ( 1. South China Universit

3、y of Technology, Guangzhou 510640; 2. ShenzhenTech2Innovation International, Shenzhen 510000, China) A bstra ct: 且整个处理电路体积庞大 ,无法将处理电路直接做在 收稿日期 : 2007 - 11 - 27 Key words: 0 引言 数控面板为数控系统中基本的人机交互部件 ,主 要由按键 、指示灯以及各种数字旋钮开关组成 ,用于实 现数控人机界面的菜单选择 、数据输入以及进给倍 率 、 快速倍率 、主轴倍率 、运行方式等选择 。其按键主 要可 分为功能键 、字符键 、编辑键和菜

4、单选择功能软键以 及 辅助功能控制键等 。图 1为所设计的数控操作面板 外 观图 。图中有 72个按键 , 22个指示灯 , 4个旋钮 开关 , 每个旋钮开关的输出为 5位二进制 20 路输 编码 ,共有 出电平信号 。采用单片机完成键盘扫描与指示灯显示 是常规的处理方法 ,但是由于数控操作面板需要处理 的 IO点数过于庞大 ,如采用单片机处理就需要大量扩 展外围接口电路 ,不仅占用硬件资源多 ,增加成本 ,而 2 编程和实现方案容易改动 、引脚属性可定义等特点 ,并 且程序直接生成硬件电路 ,有很好的硬件加密性 26 。 出于以上考虑 ,本文采用性价比较高的 CPLD 代替传 统的单片机实现

5、键盘扫描 、显示及旋钮开关处理 、与上 位机的串行通信等功能 。 2 体积有限 的数 控操 作面 板上 lexPro2 1 。 CPLD ( Comp gramm ableLogicDevice) ,即复杂可编程逻辑器件 ,可以 图 1 数控操作面板外观图 替代几十甚至上百块通用 IC 芯片 。这种芯片具有可 作者简介 :张晶 ( 1973 ) ,女 ,苗族 ,湖南花垣人 ,华南理工大学讲师 ,博士 ,研究领域为计算机应用 , ( E - mail) zhjing scut. edu. cn。 51? 控制与检测 ? 1 系统工作原理及总体结构 为实现 6行 12列的矩阵键盘接口电 52? 整

6、个系统可分为外围接口电路和 CPLD 驱动 控制 电路两部分 ,系统硬件结构框图如图 2所示 。外围接 口电路包括 6行 12列的键盘矩阵电路 、旋钮倍率开关 接口电路 、指示灯驱动电路 ;图中的 CPLD 驱动控制电 路可分为键盘扫描及去抖动电路 、倍率开关扫描电 路 、 编码电路 、并串和串并转换电路以及串行通信控制电 路等 。CPLD 的控制功能可归纳如下 : 外界信息的 获 取 ,包括键盘按键的行列信息 、各旋钮倍率开关的编 码 信息 ; 通过并串转换电路 ,将外界获取的信息以基于 485的串行传输模式发送到上位机 ,由上位机对相应信 息进行处理 ; 上位机根据其处理结果 ,将操作面板

7、上 指示灯的驱动信息通过串行总线发送到 CPLD 上 ,由 内部的串并转换电路转化为并行 驱动信号 , 驱动 22 路指示灯控制信号 。 CPLD 其中键盘扫描和倍率开关扫描电路占用 38路 IO ,指示灯控制占用 22 路 IO ,串行 通信需要 12路 IO 口 ,本文选用 A ltera 公 司 MAX7000 系列的 EPM7512AETC144, 该器件可提供 120路可编程输入输出引 脚 , 10000个可用门 ,具有 512个宏单元 , 32个逻辑 阵 列 块 , 具 有 ISP 编 程 能 力 。 因此 ,一片 CPLD 可满足系统对输入输出 节点及宏单元的要求 ,不必另外扩展

8、 。 2 CPLD 控制功能的具体实现 图 2 系统结构框图 2 11 键盘扫描与去抖动电路的实现 组合机床与自动化加工技术 路 ,首先将串行输入时钟信号 clk 通过分频电路分频到 5m s作为按键查询时钟 keyclkout, keyclkout十分频后 得到 50m s触发时钟 chuckclk,在 chuckclk时钟的高电 平期间 ,通过程序控制各列线 ( CPLD 的输出口线 )依 次置低 ;各行线一端通过上拉电阻连接到电源 ,另一端 通过去抖动电路输入到 CPLD 供检测 。当无键按下 时 ,各行线均保持为高电平 ,当有键按下时 ,该键对应 的行列线导通 ,则该键所在的行线为低电

9、平 ,同时读取 此时的列线信息 ,软件可得出该按键对应的行列扫描 码 。去抖电路如图 3所示 ,它由 D触发器和 RS触发器 构成 ,要求信号的稳定时间由 D 触发器的个数决定 ,在 该电路中采用 5m s的时钟接收输入数据 ,按键抖动一 般在几毫秒时间内 ,如果连续三个时钟周 期即 延时 15m s后输出仍为低电平 ,则可确认数据稳定并可以接 图 3 去抖动电路 收 。 键盘扫描电路通过在每个 50m s触发脉冲 chuck2 clkout的低电平期间设置键盘列选信号 ,该列 选信号在 chuckclkout下一周期的高电平期间 由 ou tkey输出 。列选信号在每个触发时钟周 期内 从

10、到 依 次 循环变化 。 inkeym ap 为经过去抖动电路后的 键盘行输入信息 ,通过在每个触发周期内读取 inkeym ap 值 , 当 有 键 按 下 时 , inkeym ap / =” 111111”,将此时的行信息 inkeym ap 和列信息 chuout经编码电路后送到并串转换电路输入 端 。图 扫 描 的 段 7 4 为 实 现 键 盘 VHDL 代 码 片 。其中 try为编码电路输出信号 ,编码电 路实现 12 位二进制列选输出信号到 BCD 编 码 ,编码输出值从0000 到 1011依次变化 ,代表 12 位 列选输出信号的哪一位为零 。如 对应 2008年第 5期

11、 控制与检测 ? 码输出到串行总线上 ,其它位由低到高循环移位处理 。 clk计数值小于 46时为 compare状态 ,该状态下由高到 编码值为 0000, 对应编码值为 1011。 clk_chu_out: p rocess ( chuclkout) begin if ( chuclkoutevent and chuclkout = 0 ) then IF chout = THEN if inkeym ap / = 111111THEN keyout < = try&inkeymap; END IF; chuout < = ; try < = 0001; ELSI

12、F chuout = THEN if inkeym ap / = 111111THEN keyout < = try&inkeymap; END IF; chuout < = ; try < = 0010; ELSE chuout < = ; try < = 0000; keyout < = try&inkeymap; END IF; end if; end p rocess clk_chu_out; 低输出 23位并行信号的原码到串行总线上 ,用于传输 误码信号判别 。 clk 计数值大于 46 时为 comp lete 状 态 ,该状态设

13、置为了同步通信过程 ,等待下个 fram e信 号的低电平出现 。 通信控制电路输出的控制信号时序图 图 5 通信控制电路输出的控制信号时序图 串并 转 换 电 路 也 同 样 分 为 comp are 和 reserved、 comp lete三个转换态 , reserved态在每个时钟周期下依 次将串行输入信号反码读入寄存器中 , comp are态下在 每个时钟周期下依次将串行输入信号的原码读入另个 reserved态读入值比较 ,看是否是位 寄存器中 ,同时与 反关系 ,如果每位比较都正确 ,在 comp lete态将积存器 的值输出到并行输出口 ,否则给出误码标志 ,重新读 入 。

14、22 路指示 outkey < = chuout; 图 4 键盘扫描和编码电路 键盘扫描和编码电路 2 12 数控操作面板的串行通信电路设计 CPLD 与上位机的信息交换包括 3 仿真结果 文中对数控操作面板的驱动控制电路进行了仿 灯的驱 真 ,程序采用 VHDL 语言编写 ,采用 动信息 、4个旋钮开关编码信息 ,以及键盘的行列扫描 m axp lus +软件包 信息 。由于所传输信息量大 ,如采用并行通信模式将 6为去抖动电路仿真结果 。 占用过多的 IO 资源 ,难于实现 ,因此文中采用了基于 进行编译和仿真 8 。图 图 485总线的串行通信模式 ,通过自定义通信协议 ,将并 行

15、信号转换为串行信号 ,在减少 IO 资源的同时 ,增强 6中 , clk为按键查询时钟输入信号 , a为矩阵键盘某行 2u s处 a由 输入信号 , b为去抖动后输入信号 ,图中 传输信息的可靠性 。文中所设计的串行通信电路主要 包括并串转换电路 、串并转换电路和通信控制电路 。 变为 0,在该位置的下一个 clk 处 , b变为 0,去抖动电 通信控制电路实现串行通信所必须的片选信号 fram e 路维持三个 clk周期为 0,因此 , 2us以后的两个抖动信 和时钟信号 clk 的获取 ,以及串行输入时钟的计数功 号被有效的滤除 。在 5u s处 , a由 0变为 1,且维持了三 能 。按

16、计数值将传输过程分为 个 clk周期以上 ,因此 b在 a跳变 三个状 态 : reserved、comp are 和 的三个周期后也由 0 comp lete 态 。图 5 为通信控制 变为 1。仿真结果看出 ,去抖动电路实现了设计的目 电路输出的控制信号时序图 。 标 。 fram e信号为周期性信号 ,其低 电平为一个时钟周期 clk的宽 度 ,对于本文设计的 23位串并转换 电路 ,在 fram e低电 平期间完成 23路待转换并行信号的赋值 ,并标识一个 通信桢的开始 。 fram e高电平期间 , 通信控制电路对 clk计数 ,计数值小于 23 时为 reserved状态 ,该状态

17、下 23位并行信号在每个 clk上升沿跳变时 ,最高位的反 1 图 6 去抖动电路仿真图 图 7为并串转换电路仿真图 , inclk 为串行时钟信 号 , fram e为片选信号 , inpo rt_ temp 为 23 位信号 量 ,用 于 保 存 移 位 值 , 转 换 初 值 为 " " , data_ou t为串行输出 , sta2 tus标志传输状态 , status为 0时候为 reserved态 ,见图 53? 控制与检测 ? 7a; status为 1时为 compare抬 ,见图 7b, count为时钟计 组合机床与自动化加工技术 果良好 ,具有较大的实

18、际应用价值 。 参考文献 参考文献 1 姚德法. 单片机应用中的键盘模块设计 J . 信息技术与 数值, count值为 ”17”即十进制的23时, status由re served态切换到compare态 。图7a和图7b的 位分别在每个时钟的跳变沿输出了inpo rt_ temp的第 22位的反码和原码,与设计的目标一致 。 信息化 , 2005 ( 6) : 47 - 49. 2 李剑中 ,姜成航. 基于 CPLD的键盘与显示模块设计 J . 中 国 仪 器 仪 表 , 2005 (4) : 101 - 104. 3 王 志 辉 , 林 水 生. 基 于 FPGA 的键盘扫描 模 块 的

19、 设 计 与 实 现 J . 国 外 电 子 元 器 件 , 2006 ( 5) : 67 - 69. 4 樊 国 梁 , 张 晓 燕. 基 于 VHDL的键盘扫描 及显示电路设计 J . 电子 世 界 , 2005 ( 2 ) : 25 - 26. 5 马 学 文 , 朱 名 日. 嵌 图7 4 结论 入式设备中 CPLD 的键盘控制实现 J . 电子产品世界 , 2004 ( 6) : 65 - 66. 6 张志利 ,侯传勋. 盘控制器 IP核的实现 M . 国 防 工 业 J . 电子技术应用 , 2006 ( 10) : 111 - 113. 7 辛春 艳. VHDL 硬件 描 述 语

20、 言 出 版 社 , 2002. 8 潘 松 , 黄 继 业. M . EDA 技 术 实 用 教 程 科 学 出 版 社 , 全功能硬件扫描键 针对数控操作面板需要控制的IO点数多,控制电 路体积受限的问题,文中在一片复杂可编程逻辑器件 CPLD实现了键盘扫描和去抖动,倍率开关扫描,指示 灯驱动,以及与上位机串行通信等功能,并通过仿真证 明了所设计的功能模块的正确性 。目前基于CPLD的 数控操作面板已经成功地应用于实际数控系统中,效 (上接第50页)铣床数控系统,在开放式平台的基础 上,采取了上 、下位机的结构,上位机用于人机界面和 后台管理,下位机进行实时扫描跟踪运动,并将采集的 数据送到DPRAM。目前该系统已投入实际运行,并能 够长期可靠工作,可以满足工业生产要求 。该系统的 开发,可以极大地提高系统的可扩展性和可移植性,当 系统升级时,只需要更改相应软件,而无需更换很多硬 件设备 。这对于缩短新产品的开发周期 、节约开发成 本 、扩展或改进系统功能