Melkomukovx

И.Д. Мелкомуков, В.В. Котов
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
КОНФИГУРАЦИЯ ПЛИС ОТ МИКРОКОНВЕРТОРА
В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
Научный руководитель: В.В. Котов, кандидат технических наук, доцент
В статье рассмотрен способ конфигурации ПЛИС от микроконвертора для
применения в автоматизированных системах управления. Предложенная схема позволяет
репрограммировать выполняемые системой управления задачи по многофункциональной
цифровой обработке сигналов в реальном времени.
In article the way of a configuration PLD from the microconverter for application in the
automated control systems is considered. The offered scheme allows to make reprogramme of
project carried out by a control system in multipurpose digital processing signals in real time.
Современные автоматизированные устройства должны обладать
простотой
управления,
удобством
использования,
гибкостью
и
экономичностью.
Внедрение микроконтроллеров и микроконверторов, цифровых
сигнальных процессоров и программируемых логических интегральных схем
(ПЛИС) в системы автоматизированного управления технологическими
объектами и процессами наряду с возможностью реконфигурации решаемых
задач и расширения функций аппаратуры создает также принципиально новые
возможности в построении децентрализованных или распределенных систем
управления. При этом децентрализация предполагает не только рассредоточение аппаратуры, но и распределение функций обработки информации и
управления между автономными микроконтроллерами.
Появляющиеся новые структуры мультипроцессорных систем позволяют
решать сложные многомерные расчеты для автоматизированных систем в
режиме реального времени.
Анализ существующих задач, решаемых микроконтроллерами в
автоматических системах, позволяет выделить ряд основных функций, которые
необходимо выполнять. Эти функции могут быть разделены на задачи,
связанными с приемом и обработкой сигналов аналоговых датчиков. Например,
линеаризация характеристик датчика и масштабирование сигналов и т.д. Для
реализации этих функций используются упрощённые системы с управлением
от одного микроконтроллера или более сложные распределенные системы
сбора данных, основанные на цифровом сигнальном процессоре или ПЛИС в
совокупности с применением микроконверторов, имеющих интегрированные
на одном кристалле аналоговые интерфейсы [1].
Рассмотрим пример спроектированной автоматизированной системы
управления (см. рис. 1), включающей в себя блок цифровой обработки
сигналов. В схеме применяются микроконвертор ADuC фирмы Analog Devices
и ПЛИС фирмы Altera.
Обработка сигналов с датчиков системы и их масштабирование
подразумевает применение аналого-цифрового преобразования (АЦП).
Возникающие в процессе работы АЦП погрешности автоматически
корректируются с использованием интегрированных в микроконверторы
аппаратных и программных компенсаторов.
Обмен данными через аналоговый интерфейс производится по линиям Ai
и Ui микроконвертора (DD2). Цифровая обработка высокочастотных
аналоговых сигналов Uвч обеспечивается ПЛИС (DD1). Для связи блока
обработки с персональным компьютером используется USB интерфейс, в
котором использован адаптер (DD3) фирмы FTDI.
Рис.1 Автоматизированная система управления с применением ПЛИС
При инициализации ПЛИС необходимо загрузить в неё файл
конфигурации от компьютера (ПК). Для этого предусмотрена соответствующая
подпрограмма в микроконверторе и шина «Config». На рисунке 2 показываются
соединения шины «Config» применительно к ПЛИС APEX 20 для выполнения
режима конфигурации с одним устройством.
Рис.2 Конфигурация ПЛИС
Цикл конфигурация состоит из трех этапов: сброса, настройки и
инициализации. В то время как сигналы nCONFIG или nSTATUS в состоянии
«0», устройство находится в состоянии сброса. При высоком уровне на линии
nCONFIG устройство выходит из режима «сброса» и разрешает работу по
линии nSTATUS. После этого ПЛИС готова к приему данных и начинается
процесс конфигурации. При единичном уровне на линии nSTATUS
микропроцессор должен передавать следующий бит данных конфигурации с
одновременной синхронизацией этих данных по линии DCLK. Младший бит
(LSB) каждого байта данных передается первым. В данном случае ПЛИС
синхронизирует свою работу с микроконвертером от внешнего сигнала DCLK.
Предусмотрена синхронизация при инициализации нескольких устройств,
которая задается посредством соответствующих установок в программной
среде разработки проектов для ПЛИС (Quartus II), конкретно, в диалоговом
окне параметров контактов ПЛИС. Если возникает ошибка во время
инициализации ПЛИС, то это приводит к появлению сигнала nSTATUS с
пассивным уровнем, который перезапускает работу ПЛИС.
После
завершения
процесса
загрузки
конфигурации
ПЛИС
инициализируется и начинает работать согласно загруженному проекту. Таким
образом, применение подобных схем, позволяет изменять алгоритм работы
автоматизированной системы путем загрузки посредством микроконвертора
разных конфигураций в ПЛИС. При этом можно «на лету» изменять решаемые
задачи системой управления и, учитывая высокое быстродействие ПЛИС,
выполнять многофункциональную цифровую обработку сигналов в реальном
времени.
Литература
1. Нарышкин, А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры: учеб. / А.К. Нарышкин. М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 320 с.