Actel數(shù)模結(jié)合FPGA的遠(yuǎn)程控制器設(shè)計

引 言
    近年來，隨著人們對生活品質(zhì)的追求，每個家庭都越來越需要一個集控中心把家庭中的各種家電連接起來，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、控制以及自動監(jiān)測報警功能。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使這一想法成為了現(xiàn)實，然而大多數(shù)管理系統(tǒng)都是基于功能強大的PC機。近幾年，嵌入式技術(shù)迅猛發(fā)展，逐步開始成熟，盡管無法實現(xiàn)PC機那樣強大的功能，但其低成本、低功耗、體積小等優(yōu)勢都是PC機無法比擬的，尤其是價格因素，更是一個便于推廣的亮點。因此，嵌入式產(chǎn)品作為控制終端也將有機會成為發(fā)展的趨勢。

1 Actel數(shù)模結(jié)合FPGA介紹
    Actel公司的Fusion系列FPGA是基于ProASIC3／E的系列芯片，具有Flash架構(gòu)的FPGA所有特點，如高安全性、高可靠性、單芯片、上電即行、非易失性、低功耗等；具有4 Mb的用戶可用Flash、1 Kb的內(nèi)部Flash、108 Kb的RAM；2個PLL最高頻率可達(dá)350 MHz；支持多種I／O電平標(biāo)準(zhǔn)，其中差分的I／0標(biāo)準(zhǔn)有LVPECL、LVDS、BLVDS、M—LVDS；具有AES、FlashLock加密技術(shù)。另
外，集成了獨特的模擬部分：
    ◆具有分辨率高達(dá)12位、采樣率高達(dá)600 ksps、30個輸入通道、2．56 V內(nèi)部參考源的A／D轉(zhuǎn)換器；
    ◆高達(dá)30個模擬的輸入I／O，可以承受±12 V輸入電壓，并有10個MOSFET門驅(qū)動輸出，驅(qū)動能力可調(diào)；
    ◆可實現(xiàn)電壓、溫度、電流檢測；
    ◆片內(nèi)集成100 MHz、精度為1％的RC振蕩器；
    ◆外部可接32 kHz～20 MHz的晶振；
    ◆具有可編程的實時計數(shù)器(RTC)；
    ◆片內(nèi)具有1．5 V穩(wěn)壓源，可提供內(nèi)核電壓，實現(xiàn)睡眠和待機的低功耗模式。

2 實現(xiàn)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)采用Fusion開發(fā)平臺為主控器，在片內(nèi)嵌入8051軟核的方式，對系統(tǒng)進行控制和管理。該系統(tǒng)內(nèi)部嵌入2個8051軟核，有效地將管理、控制和檢測分開，其兩核之間在內(nèi)部通過并行I／O通信，使用“仿打印機協(xié)議”通信；在一個IP核擴展了MiniISA總線，通過并行總線擴展了32 KB SRAM、LCD接口和82C55接口，實現(xiàn)了打印機控制和紅外遙控接收；通過電話模塊CR6269A和網(wǎng)絡(luò)模塊ZNE一100T將電話信息和網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)成串口數(shù)據(jù)，對家電進行遠(yuǎn)程控制；模擬I2C總線接口擴展了PCF8563實時時鐘芯片、E2PROM存儲器AT24C256芯片以及ZLG7290串行顯示器／鍵盤控制器，以獲取準(zhǔn)確的實時時鐘、相關(guān)參數(shù)，并實現(xiàn)系統(tǒng)信息的存儲、4×4鍵盤動態(tài)掃描控制；擴展數(shù)字溫度傳感器DSl8820用于對室溫進行測量；在片內(nèi)擴展了4路A／D，實現(xiàn)對家庭參數(shù)(煙霧濃度、燃?xì)鉂舛?、交流電壓和交流電?的測量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3．1 MiniISA總線擴展板
    MiniISA總線擴展板主要用于各種并行總線器件及I2C器件的擴展。其中包括：
    82C55并行I／O擴展、LCD接口、ZLG7290串行鍵盤／顯示器接口、PCF8563實時時鐘接口、AT24C256接口等。Mi—niISA總線接口如圖2所示。

3．1．1 外設(shè)地址選擇與分配
    系統(tǒng)通過可編程邏輯陣列器件GAL16V8實現(xiàn)基地址的選擇與分配。MiniISA總線接口尋址空間為256字節(jié)，其中高4位(A4～A7)為板卡基地址，通過4個撥動開關(guān)進行基地址的設(shè)置；低4位為該ISA板的接口地址，A2、A3用于板上外擴芯片的地址選擇，每個外設(shè)的尋址空間為4字節(jié)。板卡基地址base(高4位)由SA7、SA6、SA5、SA4決定，A3、A2對板卡上外設(shè)進行片選，地址分配如表1所列。

3．2．2板卡資源介紹
    (1)82055并行I／O擴展
    可編程并行接口82C55是一款具有2個8位(A口和B口)和2個4位(C口高／低4位)并行I／O端口的接口芯片，接口可編程，I／O端口控制功能強。芯片接口地址如表2所列。
    該設(shè)計中82C55主要用于控制打印機的輸入與輸出，其接口電路如圖3所示。

    (2)漢字微型打印機擴展
    漢字微型打印機為針式打印機。如圖3所示，打印機數(shù)據(jù)線與82C55的PA口相接，PA口設(shè)置為輸出；忙線(BUSY)和選通線(STB)分別與PC7、PCO相接。82C55的PC口高4位I／O口設(shè)置為輸入，低4位I／O口設(shè)置為輸出。
    (3)串行鍵盤顯示器控制器ZLG7290
    ZLG7290是串行I2C總線的一款鍵盤／顯示器控制器，最多可以擴展8×8鍵盤和64個LED。在MiniISA總線擴展板中將所有接口引出，電路如圖4所示，而在本設(shè)計中只使用的4×4的鍵盤，用于界面操作。

    (4)實時時鐘芯片PCF8563
    擴展PCF8563實時時鐘芯片，用于獲取準(zhǔn)確時間用于時間的顯示。PCF8563是Philips公司推出的一款工業(yè)級、內(nèi)含I2C總線接口功能、具有極低功耗的多功能時鐘／日歷芯片。工作電流為O．25μA，采用O．1F電容供電；斷電情況下，仍可正常工作10～13天。
    (5)串行E2PROM AT240256
    AT24C256是串行I2C總線的一款E2PROM，存儲空間為32 KB，主要用于報警參數(shù)、密碼、紅外代碼以及相關(guān)產(chǎn)品信息的存儲。
3．2 電話模塊CR6269A
    CR6269A電話模塊可實現(xiàn)自動電話應(yīng)用所需的全部功能：電話接口、摘機電路、振鈴識別、FSK來電號碼接收、電話信號音識別、DTMF收發(fā)、多段數(shù)碼語音、多和弦音樂和鈴聲、免提擴音、用戶語音輸入和電話語音輸出、2路遙控驅(qū)動輸出。所有硬件的底層控制均由模塊內(nèi)MCU完成，用戶通過一標(biāo)準(zhǔn)RS232接口完成指令和數(shù)據(jù)通信，功能強大且應(yīng)用非常簡便，只需接入5V電源、電話線、串口線即可使用。
3．3 網(wǎng)絡(luò)模塊ZNT一100T
    ZNT一100T網(wǎng)絡(luò)模塊是周立功公司開發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊。它內(nèi)部集成了TCP／IP協(xié)議棧、10M以太網(wǎng)接口，串口TTL電平方式，波特率為300～115 200 bps，提供5個可控制I／O，可通過網(wǎng)頁控制或TCP控制控制端口任意設(shè)定。表3為ZNE一100T接口說明。本設(shè)計中，利用該模塊進行網(wǎng)絡(luò)控制。

3．4 交流電檢測電路
    本設(shè)計，采用DVDI—001電壓／電流互感器對交流電的電壓、電流進行采樣，然后通過精密整流電路進行整流，采用RC濾波，最終變?yōu)镺～5 V電壓進入FPGA的A／D測量端。
    (1)作為電壓互感器使用
    DVDI—001作電壓互感器使用時是一種電流型電壓互感器。電壓采樣電路如圖5所示。根據(jù)電路的實際情況，將Rr的阻值選為5 kΩ，CO選為O．1μF。因為電流的感應(yīng)是1：l，所以Rr選為5 kΩ；同時也要注意不要讓負(fù)載超過互感器的范圍。這樣，就可以安全地得到所需要的幅值范圍。

    (2)作為電流互感器使用
    DVDI—001作電流互感器應(yīng)用時，用戶只需在中心孔內(nèi)穿1匝母線作為輸入線圈。電流采樣電路如圖6所示。由于電流的感應(yīng)比是3 000：1，所以電路中的負(fù)載是很小的，所以根據(jù)電路的實際情況將Rr的阻值選為5 kΩ，CO選為0．22μF。這樣，就可以安全地得到所需要的幅值范圍(0～5 V)。

3．5 溫度檢測
    數(shù)字溫度傳感器DSl8B20具有與CPU接口方便、直接數(shù)字量輸出等優(yōu)點，可提供12位(二進制)溫度讀數(shù)指示器件的溫度信息。經(jīng)過單線接口送入DSl8820或從DSl8B20送出，因此從主機CPU到DSl8820僅需一條線。室內(nèi)溫度檢測采用數(shù)字溫度傳感器，其電路如圖7所示。

4 雙核通信
    系統(tǒng)采用主從式架構(gòu)，主核發(fā)送命令，從核響應(yīng)，共同完成對外圍設(shè)備的控制和管理。其中，COREl作為主核，外擴了32 KB的SRAM，主要通過MiniISA總線與外界通信；CORE2作為從核，通過I／O與外部通信。COREl、CORE2在結(jié)構(gòu)上是相對獨立的，雙核采用仿打印機協(xié)議進行通信，二者以I／O口相接(并行數(shù)據(jù)線8位，控制線2位)。雙核通信接口如圖8所示，接口引腳定義如表4所列。

    系統(tǒng)在每一個核中，都開辟了一個16字節(jié)的緩存，用于存儲接收到的數(shù)據(jù)。其發(fā)送格式為：

    從設(shè)備地址如表5所列。

5 軟件設(shè)計
5．1 系統(tǒng)主程序流程
    系統(tǒng)內(nèi)部具有雙核，每個內(nèi)核單獨執(zhí)行程序。主程序流程如圖9所示。

5．2 雙核通信流程
    雙核通信采用讀忙線發(fā)送、中斷接收的方式，增強了數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性，如圖10所示。

結(jié) 語
    本文利用Actel公司最新Fusion系列數(shù)模結(jié)合的FPGA實現(xiàn)了遠(yuǎn)程家電控制，保證了多CPU環(huán)境下通信的協(xié)調(diào)與穩(wěn)定。本文創(chuàng)新點：采用數(shù)模結(jié)合的FPGA，內(nèi)嵌2個8051 IP軟核，主核通過擴展MiniISA總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)管理，從核直接用于參數(shù)的采集和控制，且參數(shù)采集所用的A／D轉(zhuǎn)換器均為12位的片內(nèi)A／D。