数字处理器控制技术的其他应用

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：在焊接过程控制中，除了常用的MCU、DSP和ARM等控制处理芯片外，还经常用GAL、CPLD和FPGA等大规模或超大规模数字逻辑芯片，以便扩展上述控制处理芯片的数字逻辑控制功能和I/O接口能力。I/O能力：MultiVolt I/O支持和1.5V、1.8V、2.5V以及3.3V逻辑电平器件的接口。

在焊接过程控制中，除了常用的MCU、DSP和ARM等控制处理芯片外，还经常用GAL、CPLD和FPGA等大规模或超大规模数字逻辑芯片，以便扩展上述控制处理芯片的数字逻辑控制功能和I/O接口能力。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是Xilinx公司发明的，它也是FPGA的主要生产厂家；CPLD的主要生产厂家有Altera、Lattice、ACTEL、Cypress、Atemal、Luccent。

1.GALl逻辑控制接口

DSP运行当中需要和许多外设进行数据交换，如D/A芯片、外扩RAM等，同时也需要接收一些重要的开关量信号，如复位信号。在一个指令周期当中，DSP与外设之间的数据总线和地址总线只能有一个用途，因此，必须设计一个合适的逻辑，合理地组织各个外设和信号，使他们之间运行不会产生冲突。可以采用GAL16V8-15LJ为逻辑控制芯片来扩展DSP的逻辑控制能力。GAL16V8是一款通用逻辑矩阵芯片，也是在译码方面常用的芯片，它具有以下主要优点：

1）价格低廉。

2）编程方便，可使用多种工具进行编程，程序语言和C语言类似，简单快捷。

3）具有其他芯片所不具有的高速度，最快速度可达3ns。

4）I/O多，适合逻辑比较复杂的场合。

GAL16V8-15LJ的输入到输出转换时间为15ns，DSP的时钟周期为33ns，故能够满足DSP的需要。GAL16V8的编程工具主要有ABEL语言，CUPL语言，以及lattice的ispEXPERT等。CUPL是一种类似于ABEL语言的语言，它可以直接在windows环境下编写。

CUPL语言主要由以下5部分组成：

1）程序基本情况：包括程序名、日期、单位和器件型号等。

2）输入引脚定义：定义各个输入引脚的名字。

3）输出引脚定义：定义各个输出引脚的名字。

4）变量申明：所有中间变量和普通变量在这里申明。

5）等效逻辑：程序的核心部分，也是逻辑表达的地方。

2.CPLD逻辑控制接口

在焊接过程控制中，对于数字化的面板可由ARM+CPLD来扩展I/O接口，实现按键和参数指示灯等开关量的控制。通常可选用Altera公司的EPM240T100 CPLD，它是ALTERA公司MAXⅡ系列CPLD中的一款。Altera的MAXⅡ系列CPLD是有史以来功耗最低、成本最低的CPLD。MAXⅡCPLD基于突破性的体系结构，在所有CPLD系列中，其单位I/O引脚的功耗和成本都是最低的。MAXⅡCPLD还进一步提高了高密度产品的功耗和成本优势，这样，可以使用MAXⅡCPLD来替代高功耗和高成本ASSP以及标准逻辑CPLD。MAXⅡCPLD系列器件具有如下特性。

1）低功耗，最低1.8V内核电压降低了功耗，提高可靠性，具有自动启动/停止功能，CPLD不使用时关断，大大延长了电池供电时间。低成本体系结构，通过设计，减小了管芯面积，单位I/O引脚成本在业界是最低的。高性能，支持高达300MHz的内部时钟频率。板上振荡器和用户闪存，不需要分立振荡器或者非易失存储器，减少了芯片数量。实时的系统可编程能力（ISP），器件工作时，可下载新的程序，降低了远程现场更新的成本。

2）灵活的MultiVolt内核：片内电压稳压器支持3.3V、2.5V和1.8V供电，减少了电源数量，简化了电路板设计。I/O能力：MultiVolt I/O支持和1.5V、1.8V、2.5V以及3.3V逻辑电平器件的接口。MAXⅡ系列CPLD器件常见的应用包括：上电排序、系统配置、I/O扩展、接口桥接等。

3）MAXⅡCPLD可以在Altera公司的QuartusⅡv7.0集成开发环境中进行开发。QuartusⅡ是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。(https://www.chuimin.cn)

4）QuartusⅡ可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快、界面统一、功能集中、易学易用等特点。QuartusⅡ支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，QuartusⅡ通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。

3.FPGA逻辑控制接口

CPLD/FPGA是一种半定制的ASIC，属于LSI或VLSI逻辑器件，其主要特性如下：

1）采用LSI/VLSI技术制造，高集成度（最高已达到千万门级）。

2）支持各种组合逻辑和时序逻辑电路设计，甚至实现“片上系统”（SOC）。

3）可编程改变芯片的逻辑功能，芯片可重复使用，具有ISP（In System Programming）或ICR（In Circuit Reconfigable）特性。

4）具有很高的逻辑不限能力，可预测信号延迟，便于用计算机进行逻辑功能、时序仿真。

5）有良好的设计加密功能，便于保护知识产权（IP）。

6）有强大的EDA开发工具（软件）支持，与ASIC设计相比，易学易用。

7）研制、开发时间短，费用相对少。

8）必须借助CPLD开发系统，才能设计、开发CPLD、FPGA系统。

FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）的新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有以下方面：

1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

数字处理器控制技术的其他应用

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