摘 要： 選用FPGA來控制織機監測系統的外圍電路，以Altera公司的Cyclone EP1C12Q240作為核心芯片，EPCS4作為系統的配置芯片，在SoPC上集成了軟核CPU、鎖相環、存儲器、I/O接口及可編程邏輯，并在Quartus II和Nios II IDE平臺上運行。通過在某紡織廠現場系統調試，實現了對織機的實時監測，達到了預期的目的。
關鍵詞： 織機；監測系統；FPGA；數據采集；SoPC
紡織業是勞動密集程度高、對外依存度較高的產業，它對我國國民經濟建設發揮著不可替代的支柱性作用。紡織企業生產車間的特點是多機生產，少則幾十臺，多則幾百臺織機，因此，織機監測系統具有不容忽視的意義。本設計針對某紡織廠目前的織機監測現狀進行了改進，該廠目前采用單片機控制外圍電路，然而單片機的時鐘頻率較低，很難滿足高速數據采集的需求。經分析研究，若選用DSP來控制外圍電路，可以實現高速數據采集，但成本頗高。因此，采用FPGA作為主控芯片，應用Nios II處理器控制外圍電路，在滿足高速數據采集和處理的同時，有利于系統的不斷升級。
1 系統總體設計
織機的遠程監測主要完成基本功能和輔助功能。基本功能包括織機主要工作狀態參數的監測；輔助功能主要由上位機完成，包括友好美觀的人機界面、記錄每班的生產效率和織機各種狀態下的動態變化、能夠供管理員或用戶隨時查詢及打印報表。
系統工作過程為：上電后，首先對FPGA的主控模塊進行初始化，FPGA的主控模塊采集織機的各種狀態數據并進行處理。在這一過程中，織機自帶的顯示屏會即時顯示各工藝參數。當上位機向CAN總線發送讀取每個節點織機狀態參數的命令后，FPGA的主控模塊將織機機臺號、引緯率、產量及停機時數等主要工作參數寫入CAN控制器的發送緩沖區內，啟動發送命令傳送給上位機進行相應處理。總體系統結構如圖1所示。
2 系統硬件設計
FPGA的主控系統實際是一個基于Nios II處理器的SoPC系統，主要完成數據采集工作，包括織機的產量、運轉率、引緯率和停機時數等。其硬件平臺主要以Altera公司的Cyclone系列EP1C12Q240 FPGA為核心芯片，由系統存儲設備SDRAM和Flash、系統時鐘、串行配置芯片、I/O口、FPGA配制接口組成等。系統硬件結構如圖2所示。其中，Flash存儲器采用4 MB的Am291V320D；SDRAM采用HY57V283220T；串行配置芯片采用Altera的EPCS4；具有JTAG接口和AS接口，通過AS接口直接對EPCS4器件進行快速編程；采用有源晶體振蕩電路產生50 MHz的系統時鐘；電源有5 V、3.3 V和1.5 V。
2.1 外部存儲器
2.1.1 Flash電路
在FPGA器件實現的Nios II嵌入式處理器可以使用Flash存儲器作為通用只讀存儲器和大容量非易失性存儲器，用戶可以將基于Nios II嵌入式處理器的應用程序通過編程器燒寫到Flash中，在程序運行前將Flash中的代碼復制到其他速度更快的非易失性存儲器SDRAM中，然后執行。
本系統選用的Flash是Am291v320，它是1 M×16 bit的CMOS工藝的Flash存儲器，采用48腳TSOP封裝，其工作電壓為3.3 V。Flash存儲電路如圖3所示，其中10腳、11腳、13腳和24腳均接有4.7 k?贅上拉電阻，因此Am291v320不采用字節方式。
2.1.2 SDRAM接口電路
在SoPC系統實際應用中，由于FPGA片內的RAM容量一般不能滿足需要，都需要外接SDRAM。SDRAM成本低、容量大，但需要實現刷新操作、行列管理、不同延時和命令序列等邏輯。SDRAM的操作都是由時鐘作為同步，可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為了避免數據丟失，必須定時刷新。因此，要在系統中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統中另外加入刷新控制邏輯電路。
本系統中選用的SDRAM是HY57V283220T，存儲容量為1 M×32 bit×4 Banks，4個Bank間可以通過Bank地址來選擇，其工作電壓為3.3 V。一個片鎖相環常被用于SDRAM控制器核與SDRAM芯片之間的時鐘相位調整。SDRAM接口電路如圖4所示。
2.2 串行通信接口
UART是通用串行收發器，UART串行通信接口是嵌入式系統最常用的接口，完成與上位機或其他外部設備的數據通信。Altera公司的UART IP核至少有2個I/O口，即RXD和TXD。RXD為輸入引腳，用來接收數據；TXD為輸出引腳，用來發送數據。UART IP核可以通過配制來適應任意波特率的RS232口。
由于RS232C標準與Altera的FPGA系列器件I/O LVTTL標準所定義的高、低電平完全不同，前者在電氣上采用負邏輯方式，因此，兩者之間要進行通信，必須經過電平的轉換才可以實現。本系統選用SP3232E，參考電平為3.3 V。
2.3 配置電路
Cyclone FPGA的配制方式有主動配置模式（AS）、被動配置模式和JTAG配置模式。
（1）AS調試接口
在AS配制模式下，系統使用EPCS4串行配制器件對Cyclone FPGA進行配制。在FPGA配制期間，FPGA通過串行接口讀配制數據，解壓縮數據，然后配制SDRAM單元，在AS配制模式下，FPGA主動控制配制接口。
（2）JTAG調試接口
JTAG是一種國際標準測試協議，主要用于芯片內部測試及對嵌入式系統進行仿真、調試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，能實現對各個器件分別測試。
根據IEEE1149.1-1990標準實現的JTAG接口有TCK、TDI、TDO、TMS和TRST 5個引腳，通常TRST閑置。將Byte Blaster II的下載電纜直接連接到JTAG接口，通過Quartus II軟件直接對FPGA進行配置。若采用AS方式和JTAG方式同時對FPGA進行配置，JTAG方式的優先級高，停止AS方式配置。JTAG模式使用TCK、TDI、TDO和TMS 4個專門的信號引腳具體的接口電路連接關系如圖5所示。
3 系統軟件設計
本系統軟件設計的關鍵是SoPC數據采集與處理模塊程序，它們主要由單臺的織機控制來完成。FPGA的Nios II處理器收到上位機傳送的命令后會產生相應的中斷，將采集到的數據根據相應的幀格式向上位機發送。SoPC上集成了軟核CPU、鎖相環、存儲器、I/O接口及可編程邏輯，這部分在Quartus II和Nios II IDE平臺上運行。利用SoPC Builder創建和配置了Nios II軟核處理器及其外設，用VC++和VHDL語言完成程序編寫。
系統實際監測效果如圖6所示。
本文分析了遠程監測系統的現狀和發展動態，根據紡織廠的實際要求，著重考慮了系統的實時性、靈活性及高速處理能力。因此，系統采用模塊化設計，用FPGA模塊即基于Nios II的SoPC系統代替單片機來控制外圍電路工作。經過詳細測試和驗證，本系統做到了及時采集織機動態數據，使管理層全面快速了解生產情況和歷史數據，實現了向上可以兼容紡織廠生產管理系統，向下可以兼容不同設備的監測系統。最后，通過在紡織廠的現場調試，成功與上位機進行通信，基本達到了初期設定的目標。
參考文獻
[1] 吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[2] 褚鎮勇.FPGA設計及其應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.
[3] 任愛鋒，初秀琴，常存，等.基于FPGA的嵌入式系統設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.
[4] 張志剛.FPGA與SoPC設計教程——DE2實踐[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.
[5] 周潤景，圖雅，張麗敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD數字系統設計實例[M].北京：電子工業出版社，2007.