基于CPLD的多路選擇器在舞臺吊桿控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳 琦，丁慶生

(四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830)

在舞臺吊桿控制系統(tǒng)中，多路選擇器主要實現(xiàn)多個吊桿選擇少數(shù)電機進行拖動的功能，是舞臺吊桿控制系統(tǒng)中必不可少的部分。而多路選擇器實現(xiàn)的方法有很多，目前大多數(shù)都是采用單片機作為核心芯片來進行控制，但單片機容易受到強電設(shè)備開關(guān)時產(chǎn)生的電氣干擾而“跑飛”。本文選擇64選10方式的多路選擇器，該選擇器的功能為接收來自主控制器的數(shù)據(jù)選擇信號，并根據(jù)信號中對應(yīng)的吊桿、通道信息來實現(xiàn)具體的控制選擇工作。為此，本文設(shè)計了一種基于CPLD的多路選擇器。

1 EPM570T144C5芯片簡介

EPM570T144C5是Altera公司MAXⅡ系列中的一款低功耗、低成本的CPLD。該芯片1.8 V的內(nèi)核電壓降低了功耗、提高了可靠性，并且支持高達300 MHz的內(nèi)部時鐘頻率；板上的振蕩器和用戶閃存，不需要分立振蕩器或者非易失存儲器；有實時在系統(tǒng)可編程能力，器件工作時可下載第二個設(shè)計，方便在線調(diào)試；而且該芯片有144個可編程的I/O引腳，每個I/O引腳均耐5 V電壓，完全可以滿足本系統(tǒng)I/O引腳個數(shù)的要求，在使用中還有可擴展空間。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路主要由EPM570T144C5芯片、RS485通信模塊、64路輸入接口、64路輸入光電隔離電路、10路輸出光電隔離電路、10路輸出接口組成，如圖1所示。

圖1 多路選擇器硬件系統(tǒng)框圖

輸入、輸出的光電隔離電路，均采用工業(yè)級的光電耦合隔離器TLP521進行電氣隔離。TLP521為電流驅(qū)動型工作元件，需外接電源電路來產(chǎn)生所需的壓降，而且需要根據(jù)具體的輸入/輸出電壓、電流來計算對應(yīng)的電源電路中電阻的阻值，以避免二極管的壓降過大而損壞以及驅(qū)動能力不足的問題。

RS485通信模塊采用半雙工工作方式的串行通信芯片MAX485，由于該芯片內(nèi)部為平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，其抗共模干擾能力增強，且總線收發(fā)器能檢測低至200 mV的電壓，可實現(xiàn)千米以上的遠距離傳輸。特別是RS485通信方式只定義了電壓、阻抗，未對軟件協(xié)議進行定義，因此使本系統(tǒng)的通信協(xié)議設(shè)計非常靈活。

3 串行通信協(xié)議的設(shè)計

本系統(tǒng)的串行通信協(xié)議分為兩部分：多路選擇器接收來自主控制器部分和多路選擇器發(fā)送到主控制器部分。其中，接收部分起主要作用，而發(fā)送部分只是用來反饋錯誤信息。由于多路選擇器是根據(jù)主控制器所發(fā)送的串行指令來進行具體工作的，所以串行通信協(xié)議接收部分的設(shè)計很重要，既要包括相應(yīng)的吊桿、通道信息，又要考慮到抗電氣干擾的問題，還要考慮所采用芯片的邏輯、存儲單元的個數(shù)。

3.1 接收通信協(xié)議

本文通信協(xié)議的接收部分采用按固定的通道順序，一次接收10組吊桿的數(shù)據(jù)，而每組吊桿數(shù)據(jù)均依次按順序?qū)?yīng)的原則進行設(shè)計，同時每組數(shù)據(jù)均采用奇校驗，且全部數(shù)據(jù)采用和校驗的方法來進行軟件抗電氣干擾。其中，第1個字節(jié)為起始標(biāo)志“01010101”，最高位的“0”表示該字節(jié)為標(biāo)志；第2字節(jié)～第11字節(jié)為10路具體的吊桿數(shù)據(jù)；第 12、13字節(jié)為和校驗碼，分別為10路吊桿數(shù)據(jù)的和除64取商、取余；第14字節(jié)為停止標(biāo)志“00101010”，除最高位外，其余均與起始標(biāo)志位對應(yīng)取反。

每個字節(jié)的D7位用于區(qū)分標(biāo)志與數(shù)據(jù)，用“0”表示標(biāo)志，而用“1”表示數(shù)據(jù)；除標(biāo)志外，每個字節(jié)的 D6位均為奇校驗碼；10路數(shù)據(jù) seldata[1]～seldata[10]中的 D5～D0位為64路中的1路吊桿數(shù)據(jù)。通信協(xié)議按照從低位到高位、從低字節(jié)到高字節(jié)按順序進行接收，如表1所示。

表1 64選10的通信協(xié)議接收部分的數(shù)據(jù)字節(jié)及標(biāo)志字節(jié)

3.2 發(fā)送通信協(xié)議

發(fā)送的通信協(xié)議只有當(dāng)多路選擇器在接收過程中受到電氣干擾、一些數(shù)據(jù)位發(fā)生邏輯改變而使奇校驗或和校驗不匹配時，才工作；否則一直保持接收狀態(tài)，準(zhǔn)備接收下一次的數(shù)據(jù)流。

通信協(xié)議的發(fā)送部分是由一組10位的二進制數(shù)(停止位“1”+“10100101”+起始位“0”)組成的數(shù)據(jù)流，以表示之前的通信出錯要求重發(fā)。當(dāng)主控制器接收到該信號后，則重發(fā)一次數(shù)據(jù)流。通信協(xié)議按低位到高位的順序進行發(fā)送，如表2所示。

表2 64選10的通信協(xié)議發(fā)送部分的字節(jié)組成

4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)使用Verilog HDL硬件描述語言，采用自頂而下的設(shè)計方法在QuartusⅡ的軟件平臺上進行設(shè)計。系統(tǒng)由采樣時鐘輸出模塊、信號采樣模塊、起始標(biāo)志檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、停止標(biāo)志檢測模塊、64選10模塊、錯誤檢測模塊、輸出控制模塊和發(fā)送模塊組成。軟件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 多路選擇器軟件系統(tǒng)框圖

采樣時鐘輸出模塊：對11.059 2 MHz的時鐘頻率進行分頻產(chǎn)生16倍波特率的采樣脈沖。

信號采樣模塊對按波特率輸入的控制命令進行3次采樣，如果采樣結(jié)果一致，則按波特率向后級輸出控制命令的電平信號，否則將發(fā)出錯誤指令。

起始標(biāo)志檢測模塊：實現(xiàn)對第一組數(shù)據(jù)標(biāo)志的判斷，如果不是起始標(biāo)志，則直接輸出后續(xù)數(shù)據(jù)，否則進行起始標(biāo)志的序列檢測；如果檢測正確，則設(shè)置第一組數(shù)據(jù)標(biāo)志，否則發(fā)出錯誤指令。

64選10模塊：由10組 64選1電路并行組成，接收來自數(shù)據(jù)處理結(jié)果的并行數(shù)據(jù)。

停止標(biāo)志檢測模塊：完成對停止標(biāo)志的檢測，并輸出清零第一組數(shù)據(jù)標(biāo)志的信號，同時輸出啟動脈沖，如果檢測錯誤，則發(fā)出錯誤指令。

錯誤檢測模塊：收到來自停止標(biāo)志檢測的啟動脈沖后，將根據(jù)前面各級有無錯誤輸出來實現(xiàn)控制。而輸出控制模塊為一個暫存器，由錯誤檢測的控制脈沖來控制10路輸出信號是否可以輸出至管腳。

發(fā)送模塊：在錯誤檢測發(fā)現(xiàn)問題后，將設(shè)置RS485為發(fā)送狀態(tài)，同時發(fā)送一組錯誤標(biāo)志信號到主控制器后，重新處于接收狀態(tài)，準(zhǔn)備再次接收。

數(shù)據(jù)處理及校驗?zāi)K：主要實現(xiàn)對前10個字節(jié)的吊桿信號進行字節(jié)個數(shù)的計算、每個字節(jié)的奇校驗的判斷、吊桿數(shù)據(jù)的依次存儲、前10個字節(jié)吊桿數(shù)據(jù)之和除以64的商、余計算，以及對第11、12字節(jié)的和校驗。當(dāng)有字節(jié)奇校驗或和校驗錯誤時，則報錯D_ERROR；當(dāng)完成12個字節(jié)的存儲及校驗后，不再對后面接收的信號做處理，而是直接輸出。

由于篇幅有限，此處只給出數(shù)據(jù)處理及校驗部分的流程圖，如圖3所示。

5 仿真及調(diào)試安裝

本文采用QuartusⅡ自帶的波形仿真軟件進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

本文對多路選擇器的實物調(diào)試專門設(shè)計了一個測試板。該測試板采用單片機C8051F020為核心芯片，通過8個8位的撥碼開關(guān)來模擬64路輸入信號，10個LED電路來顯示輸出結(jié)果，通過RS232接口與PC機交互，通過RS485接口連接多路選擇器。

圖3 數(shù)據(jù)處理及校驗?zāi)K的流程圖

圖4 多路選擇器的仿真結(jié)果

調(diào)試的過程中，PC機使用“串口調(diào)試助手”發(fā)送具體的吊桿、通道指令，再經(jīng)C8051F020進行對應(yīng)的處理，并按照多路選擇器的通信協(xié)議發(fā)送至多路選擇器，同時反饋給PC機具體處理的信息。而通過調(diào)節(jié)64個撥碼開關(guān)來觀察10個LED顯示的情況進行分析。

在采用不同的通信材料及波特率、有一定的電氣干擾下，經(jīng)過多次長期的調(diào)試得到如下結(jié)果：64選10的多路選擇器在選用雙絞屏蔽線作為RS485通信線、同時使用獨立電源并工作在低波特率(1 200 b/s)時，半雙工通信模塊邏輯正常，輸入、輸出的邏輯正常，EPM570T144C5芯片工作正常。

本文設(shè)計的多路選擇器在實際使用時，與強電設(shè)備安裝在一個電氣控制柜中。為了進一步提高抗電氣干擾的性能，需將多路選擇器安裝于網(wǎng)狀的金屬盒內(nèi)，以屏蔽開關(guān)時產(chǎn)生的電弧所引起的空間輻射干擾，同時又能良好地散熱。而且多路選擇器與主控制器的通信連線采用屏蔽線連接，并在走線時盡量遠離電氣線路。此外，多路選擇器采用獨立的交流穩(wěn)壓電源，以防止電氣設(shè)備在開關(guān)瞬間對電網(wǎng)產(chǎn)生的尖峰干擾。

本文采用CPLD進行多路選擇器的設(shè)計，不僅能實現(xiàn)64選10的正常工作，而且設(shè)計的方法非常靈活。通過測試表明，基于CPLD設(shè)計的多路選擇器抗干擾能力要強于用單片機的設(shè)計，不但降低了系統(tǒng)的功耗，生產(chǎn)及維修成本也比單片機少，而且實時性強、可靠性高。

[1]小林芳直.數(shù)字邏輯電路的 ASIC設(shè)計[M].蔣民，譯.北京∶科學(xué)出版社，2004.

[2]帕爾尼卡.Verilog HDL 數(shù)字設(shè)計與綜合[M].夏宇聞，等譯.北京∶電子工業(yè)出版社，2004.