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　　FPGA正常工作时，配置数据存储在SRAM中，但SRAM无法永久保存数据，故系统增加具有通用SPI接口的Flash存储协议的配置信息。根据Cyclone系列保留的数据配置方法，系统在设计中设置主动配置模式AS（activeserialconfigurationmode）和JTAG配置模式。AS配置模式中，通过QuartusII软件和线缆将配置文件下载到Flash中，FPGA加载成功，去掉加载线缆并重新上电，FPGA自动读取Flash中配置文件，完成初始化工作；JTAG配置模式中，通过QuartusII软件将配置文件下载至FPGA内部RAM或者SRAM中，断电后配置文件丢失，再次加载配置文件需重新上电。鉴于Flash擦写次数有限，为保护Flash，在调试、验证过程中尽量采用JTAG配置模式；在调试无误且满足用户需求的定制后，通过AS模式将配置信息下载到Flash中。

　　FPGA上电后的配置过程包括复位、配置和初始化。复位过程中，用户I/O处于高阻状态，片内RAM的内容被清空；接收配置数据的过程中，配置数据在时钟上升沿被锁存到FPGA中；初始化过程中，FPGA内部逻辑、内部寄存器和I/O寄存器被初始化；最终，FPGA进入用户模式，其内部逻辑和I/O按照用户设计运行。

　　电源电路采用外部5V电源为电路的5V逻辑电平器件供电，同时5V的电源通过采用低压差线性稳压器得到3.3V、2.5V和1.2V的电源，为在不同电压下工作的器件提供合适的电平。时钟电路采用外接50MHz的晶振作为CycloneFPGA的外部时钟源。

　　3.3无线通信逻辑设计与扩展

　　无线数据的接收和发送由射频电路完成。射频电路由CC2530芯片、芯片外围电路和鞭形天线组成。CC2530是美国TI公司推出的适用于无线信号的收发芯片，集成了1个低功耗的8051微控制器内核，拥有8KB的RAM和多种尺寸的闪存，接收器灵敏度高，抗干扰性强。其自带的2.4GHz高性能RF收发器和内部已有的电路，简化了无线模块的设计，只需在RF_N和RF_P两ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用个引脚外接若干电容电感器件，并根据阻抗匹配采用50欧鞭状负极性天线。

　　芯片内部的RF内核控制模拟无线电模块，可以发送命令、读取状态自动对无线电事件排序等。天线接收的射频信号经过低噪声放大器、滤波、AD转换、自动增益和数字解调后，恢复出传输的数据，数据保存在芯片内的寄存器中；发送数据时，数据被送入发送寄存器中，数据组帧并经过DA转换以及频率合成生成射频信号，射频信号被调制到2.4GHZ，经放大后通过天线发射出去。

　　CC2530内部使用1.8V工作电压，外部数字I/O接口使用3.3V电压，芯片内集成的直流稳压源将3.3V电压转换为1.8V电压。射频电路的外部供电电压为3.3V，无需额外的电压转化电路。芯片只需极少的外围元器件，其外围电路主要包括晶振时钟电路、射频输入/输入匹配电路和微控制电路三个部分。CC2530芯片的外部晶振电路采用32MHZ和32.768KHZ两个晶振，前者满足无线收发信号，后者应用电路低睡眠时的电流消耗和精确的唤醒时间；芯片内部包括16MHZRC和32KHZRC晶振，特点是耗电低、启动快。上电启动时，射频电路借助芯片内部16MHZRC晶振起振，正常运行后换成32MHZ晶振，用于无线通信。

　　射频输入/输出匹配电路中主要包括电阻、电容和电感。电感和部分电容组成了电路中的非平衡变压器，用来匹配芯片的输入输出阻抗；部分电容为内部数字稳压器的去耦电容，用作电源滤波以提高芯片工作的稳定性；电阻为偏置电阻，为芯片内部提供直流偏置。

　　控制接口电路是FPGA和CC2530数据传输的关键，FPGA和CC2530芯片可利用FPGA内部SPI核完成数据交换。CC2530通过SPI设置芯片工作模式，实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用等。通信过程中，FPGA作为SPI的主设备，CC2530作为从设备。FPGA发送数据给CC2530时，首先中断申请引起CC2530内部中断，CC2530确认可以接收数据后通知FPGA，FPGA开始发送数据信息；CC2530发送数据给FPGA时，可直接发起数据传输。

　　3.4并行高速数据接口

　　该节点预留40Pin的引脚作为用户自定义接口，与主控单元实现数据的交互，主控单元主要为用于实现应用功能的嵌入式控制系统。为满足并实现高速应用，将该40Pin引脚定义为8/16位异步并行接口；其拥有独立的数据总线和地址总线，可进行双向通信，而且数据传输速率高。其中的1~4号接口为供电引脚，可直接由外部电源供电，也可由主控单元供电。

　　接口传输技术，其利用低电压摆幅实现数据的高速传输，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点。CyclonIV系列的FPGA，支持高速低电压差分信号LVDS（Low-VoltageDifferentialSignaling）接口，利用其I/O接口的LVDS驱动器把FPGA内部逻辑信号转换为低压差分信号对，经过PCB传输线传送到对方差分接收电路。差分信号的定义体现在引脚的命名规则中，差分信号对包含差分正极和差分负极，差分正极标示为（LVDS）P，差分负极标示为（LVDS）N。

　　4、节点实现与原型验证

　　本实验中，节点的设计采用CadenceAllegroSPB软件实现，设计过程包括原理图绘制、元器件封装制作以及PCB布局布线，最后依据光绘文件制作硬件节点。

　　FPGA作为是节点的核心，其内部包含用户自定义POWERLINKIP核和自带的IP核，POWERLINKIP核内包括利用VHDL语言实现的基于FPGA的MAC、openHUB等，节省了PCB板卡空间并提高了FPGA资源利用率，同时在FPGA内部增加SPI控制接口，与射频电路实现数据交互，最后利用Quartus软件通过JTAG接口下载配置文件至FPGA内部完成FPGA配置工作。

　　数据通信采用主从站协同工作的模式，网络中至少有一个节点做为主站，其余节点做为从站，每个从站用唯一的节点ID号标示其在网络中的位置。主站作为网络管理的主控子系统，负责组网、配置从站等；从站作为被控子系统，负责收发用户命令信息以驱动机电系统。

　　网络通信周期包括同步与异步两个阶段。同步传输过程中，主站广播一个同步数据帧，触发所有从节点时钟同步；主站发送数据请求帧轮询所有从站，相应的从站识别、接收主站的请求帧后，广播应答帧；同步过程避免了传统以太网中的冲突，保证了硬实时交互的确定性。异步传输过程中，主站的数据帧包含请求哪个从站上报数据，应答数据帧为该从站上报的数据；每个周期内，只能有一个从站上报异步数据；异步阶段传输需偶尔传输的信息数据。

　　ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用验证平台由基于ARM9自研的主控系统、主站节点、从站节点、电机控制板和驱动设备组成，各个模块之间通过串/并行接口实现物理互联。验证过程中，主控制板通过并行接口将用户命令传输至主站节点，主站作为网络控制中心，将用户命令以无线形式传输至各从站节点，从站节点1、2、3分别接收命令数据，并驱动步进电机完成坐标点在X轴方向的左右移动、Y轴方向的前后移动以及Z轴方向的上下移动。

　　验证过程中，首先对网络化连接模式下的通信性能进行理论分析，FPGA通过并行口连接射频芯片，其理论端口传输速率可达2Mbps，射频芯片的无线链路带宽容量为250kbps；POWERLINK协议中MAC层采用分时应答式通信方式来保证主站到多个从站的实时通信，设计要求中，最快为每分钟3000帧缝制速度，每帧传输一个固定长度3字节的缝制帧，即每20ms内必须发送1个缝制帧，每20/3ms传输有效数据位8bit和帧附加位168bit，则数据速率是150*176bps，即26.4kbps。系统的数据传输速率设置为150kbps，每个循环周期(180us)中为每个轴分配60us的时间槽，每秒每轴能够传输的数据就是150k*(1/3)bit，即通信速率为50kbps。对上述数值做比较和分析，表明硬件节点和网络协议确保了系统的实时性，但在实际的工业控制系统中，控制速度受限于光机电整体系统的各个部分，尤其是机械组件，所以在后续设备集成过程中，需要对通信协议、控制方法等不断进行优化。

　　本文基于实时网络的多轴协同控制机制，实际系统为三轴电机所驱动。以电子花样缝纫机为例描述网络通信。X、Y二维步进电机驱动送布机构完成平面移动，主轴电机Z驱动机针机构作垂直运动。缝制一针数据的操作过程为：主控制板解析花样文件，并根据伺服电机驱动器的反馈信息，确定X、Y轴是否可以移动。若不能移动，则向X、Y轴发送的应用数据有效标志位设为无效，否则设为有效。在第一个时间槽里，与X轴相关的电机控制板节点ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用CNx进行通信，对其发送X轴运动的位移信息，CNx发送其状态信息至主控制板作为应答；第二个时间槽里，主控制板与Y轴相关的电机控制板CNy进行通信，发送数据给CNy，CNy执行Y轴的移动动作，然后CNy以数据YtoAll进行回应，CNx和主控制板节点都被设置成接收此数据，CNx接收到此数据后，开始执行X轴的移动动作；最后的时间槽中，MN发送数据MNtoAll给所有节点，I/O模块（剪线、压脚等机构）经过配置并接收此类数据，完成相应的操作。

　　5、结束语

　　近几年来，以太网技术已经广泛引入工业自动化领域，实现远程数据的传输与监控。本文以FPGA和射频电路为核心构建了无线数据收发模块，重点阐述了作为协议处理单元的FPGA和进行无线数据收发的射频电路，初步实现了各功能模块间简单的数据传输以及功能验证。下一步工作是根据通信标准，建立通信网络模型，实现基于实时网络的多轴协同控制系统。该通信将应用于工业控制系统，实现过程控制自动化，具有一定的应用前景。