隨著工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大型水輪機(jī)組的自動(dòng)化水平也在不斷提高。而這些設(shè)備一旦發(fā)生故障，將會(huì)給人們的生活和生命財(cái)產(chǎn)造成極大的威脅。因此，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆具有重要意義?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（ＦＰＧＡ，Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ ）的出現(xiàn)是超大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。它具有集成度高、多功能、低功耗、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)，而且可以很方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行在線修改，因此獲得了廣大用戶的青睞，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。本文首先介紹了ＡＬＴＥＲＡ公司推出的低價(jià)位、高性能ＣＹＣＬＯＮＥ系列ＦＰＧＡ器件ＥＰ１Ｃ６Ｑ的特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合在水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中遇到的實(shí)際問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決方案，最后就開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題，提出了自己的看法。

１、ＥＰ１Ｃ６Ｑ的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ＥＰ１Ｃ６Ｑ是ＡＬＴＥＲＡ公司低價(jià)位ＣＹＣＬＯＮＥ系列ＦＰＧＡ的一種。它采用１．５Ｖ內(nèi)核電壓，內(nèi)嵌９２１０６位存儲(chǔ)區(qū)間，可提供兩個(gè)鎖相環(huán)和雙倍數(shù)據(jù)傳輸速率（ＤＤＲ）的接口電路。其具體特點(diǎn)如下：

●采用２４０個(gè)引腳的ＦＰＱＦ封裝形式，能提供１８５個(gè)ＩＯ用戶引腳和５９８０個(gè)邏輯單元。

●具有２０個(gè)４６０８位的ＲＡＭ存儲(chǔ)區(qū)，最高可支持２００ＭＨｚ的數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)均包括單口或雙口ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＦＩＦＯ等各類存儲(chǔ)器件，并支持８位、１６位、３２位、３６位等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型。

●片上的鎖相環(huán)電路可以提供輸入時(shí)鐘的１～３２分頻或倍頻、１５６～４１７ｐｓ移相或可變占空比的時(shí)鐘輸出，輸出時(shí)鐘信號(hào)的特性可直接在開(kāi)發(fā)軟件ＱＵＡＲＴＵＳ２里設(shè)定。經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)輸出的時(shí)鐘信號(hào)既可以作為內(nèi)部的全局時(shí)鐘，也可以輸出到片外供其它電路使用。

●多功能的ＩＯ結(jié)構(gòu)支持差分和單端輸入，并與３．３Ｖ、３２位、６６ＭＨｚ的ＰＣＩ局部總線兼容；ＩＯ輸出可以根據(jù)需要調(diào)整驅(qū)動(dòng)能力，并具有壓擺率控制、三態(tài)緩沖、總線狀態(tài)保持等功能；整個(gè)器件的ＩＯ引腳分為四個(gè)區(qū)，每一個(gè)區(qū)可以獨(dú)立采用不同的輸入電壓，并可提供不同電壓等級(jí)的ＩＯ輸出。

２、在水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用

水輪機(jī)組的工作效率是系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而機(jī)組的工作效率與當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。轉(zhuǎn)速測(cè)量的關(guān)鍵是對(duì)六十五路脈沖信號(hào)周期的測(cè)量。采用了ＥＰ１Ｃ６Ｑ器件內(nèi)部的６５個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)工作的測(cè)量方法。

２．１ 水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

該水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置如圖１所示，它由六十五個(gè)微型機(jī)械傳感器組成，其中六十四個(gè)傳感器分布在對(duì)稱的四個(gè)轉(zhuǎn)軸上，第六十五個(gè)傳感器在軸的中心交點(diǎn)。流經(jīng)管道的水流將帶動(dòng)傳感器的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)一周后，觸發(fā)電子線路產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。管道中水流的速度越快，脈沖信號(hào)的間隔越短；管道中水流的速度越慢，脈沖信號(hào)的間隔越長(zhǎng)。這樣？就可以根據(jù)脈沖信號(hào)的間隔或者說(shuō)兩個(gè)信號(hào)上升沿的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)計(jì)算流速的大小，從而依據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速的大小。

２．２ 整體設(shè)計(jì)方案及工作原理

該水輪機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的整體框圖如圖２所示。水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用ＬｏｎＷｏｒｋｓ現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，神經(jīng)元芯片是構(gòu)成系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)的核心，它內(nèi)部包括三個(gè)微處理器，即ＭＡＣ處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器、應(yīng)用處理器，而１１個(gè)輸入／輸出引腳則可根據(jù)不同的外部設(shè)備來(lái)靈活配置。收發(fā)器是節(jié)點(diǎn)之間通信的橋梁。

由于水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速比較慢，傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔較長(zhǎng)？因此？對(duì)緩變信號(hào)周期的測(cè)量應(yīng)采用測(cè)周的辦法。首先是將輸入的脈沖信號(hào)經(jīng)去抖、限幅后變成符合ＥＰ１Ｃ６Ｑ輸入信號(hào)特性要求的信號(hào)，然后當(dāng)ＥＰ１Ｃ６Ｑ接到神經(jīng)元信號(hào)的測(cè)量命令后，再捕捉輸入信號(hào)的上升沿。為了保證所有的通道在神經(jīng)元芯片讀取數(shù)據(jù)之前已經(jīng)鎖存，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔應(yīng)保證不小于兩個(gè)信號(hào)周期。神經(jīng)元芯片將每個(gè)通道的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)到片內(nèi)ＲＡＭ區(qū)，并將計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速值送到信號(hào)處理模塊，以計(jì)算水輪機(jī)組的工作效率。由于流速測(cè)量傳感器的分布特點(diǎn)是邊緣傳感器的信號(hào)周期比內(nèi)部傳感器的信號(hào)周期長(zhǎng)，因此，筆者選擇一個(gè)最靠邊的傳感器作為標(biāo)志傳感器，并由標(biāo)志傳感器產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)志位信號(hào)。

２．３ 硬件實(shí)現(xiàn)

（１） 信號(hào)調(diào)理電路

由于ＥＰ１Ｃ６Ｑ輸入／輸出邏輯高電平僅能支持４．１Ｖ，而不能直接與標(biāo)準(zhǔn)的ＴＴＬ電平信號(hào)相連，因此，神經(jīng)元芯片和ＥＰ１Ｃ６Ｑ之間的連接以及脈沖輸入電路都必須加限幅電路。芯片的設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮到與５Ｖ設(shè)備的連接問(wèn)題，其解決方法是在連接線路中串接一個(gè)１６２Ω電阻。

（２） ＥＰ１Ｃ６Ｑ和神經(jīng)元間的物理連接

在轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊中，ＥＰ１Ｃ６Ｑ主要起信號(hào)邊沿檢測(cè)、脈寬測(cè)量以及實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元芯片外圍邏輯電路的作用。由于許多功能是在ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部利用軟件實(shí)現(xiàn)的，所以二者之間的連接很簡(jiǎn)單。控制信息的傳遞主要有兩個(gè)途徑：一是通過(guò)神經(jīng)元芯片的Ｉ／Ｏ引腳，由于Ｉ／Ｏ引腳較長(zhǎng)的建立時(shí)間會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因此，設(shè)計(jì)電路僅使用ＩＯ０、ＩＯ１兩個(gè)通道來(lái)作為整個(gè)系統(tǒng)的異步清零（ｃｌｒ）和讀取數(shù)據(jù)標(biāo)志（ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ）；另外一個(gè)途徑是通過(guò)神經(jīng)元芯片的數(shù)據(jù)總線（Ｄ０～Ｄ７）和地址總線？Ａ０～Ａ１５？，即在ＥＰ１Ｃ６Ｑ的內(nèi)部設(shè)立狀態(tài)寄存器，并由神經(jīng)元芯片向寄存器中寫入不同的數(shù)據(jù)，然后由寄存器根據(jù)寫入的數(shù)據(jù)來(lái)使相應(yīng)的控制信號(hào)有效。

２．４ 軟件設(shè)計(jì)

ａ．ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部程序

ＥＰ１Ｃ６Ｑ的內(nèi)部程序是在ＱＵＡＲＴＵＳ２開(kāi)發(fā)軟件中實(shí)現(xiàn)的。ＱＵＡＲＴＵＳ２能夠支持原理圖輸入和硬件描述語(yǔ)言兩種編程方式。整個(gè)程序包括譯碼電路、分頻電路、計(jì)數(shù)控制電路、計(jì)數(shù)器模塊和數(shù)據(jù)的鎖存和讀取等五個(gè)部分。具體如下：

（１）計(jì)數(shù)控制電路

ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部的程序是在神經(jīng)元芯片的控制下運(yùn)行的。其控制部分電路如圖３所示。信號(hào)ｆｉｎ代表六十五路脈沖輸入信號(hào)的一路，ｃｌｋ０代表標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)數(shù)時(shí)鐘。在ｃｌｒ信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?、且ｓｔａｒｔ置為高電平后，脈沖信號(hào)ｆｉｎ輸入有效。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)上升沿到來(lái)后，計(jì)數(shù)器的ＰＵＬ引腳變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)诙€(gè)上升沿到來(lái)后，ＰＵＬ變?yōu)榈碗娖?，?jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)；而當(dāng)?shù)谌齻€(gè)上升沿到來(lái)后，ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ信號(hào)變高電平，數(shù)據(jù)鎖存。

（２）計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

由于水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速比較慢，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率一般在０．０１Ｈｚ～１０Ｈｚ之間，因此，轉(zhuǎn)速快和轉(zhuǎn)速慢時(shí)的信號(hào)周期差別比較大。為滿足±１／１００００個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘的精度要求，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)位數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為２０位。計(jì)數(shù)器的最大設(shè)定值為１００００００，這樣，當(dāng)脈沖信號(hào)周期在１０Ｈｚ～０．１Ｈｚ之間時(shí)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘為１００ｋＨｚ；而當(dāng)脈沖信號(hào)的周期在０．１Ｈｚ～０．０１Ｈｚ之間時(shí)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘自動(dòng)轉(zhuǎn)換為１０ｋＨｚ。計(jì)數(shù)時(shí)鐘的自動(dòng)切換是由計(jì)數(shù)器的溢出標(biāo)志控制的，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值超出設(shè)定的最大值（１００００００）后，溢出標(biāo)志由低電平變?yōu)楦唠娖剑@樣，經(jīng)過(guò)全局時(shí)鐘分頻計(jì)數(shù)的時(shí)鐘分頻次數(shù)也會(huì)相應(yīng)地?cái)U(kuò)大１０倍，從而保證了計(jì)數(shù)器不會(huì)再次溢出。

（３）狀態(tài)寄存器設(shè)計(jì)

為了減小神經(jīng)元芯片控制功能對(duì)ＩＯ引腳的依賴，ＥＰ１Ｃ６Ｑ在其內(nèi)部設(shè)立了兩個(gè)狀態(tài)寄存器。這兩個(gè)狀態(tài)寄存器可根據(jù)神經(jīng)元芯片寫入的控制字來(lái)使相應(yīng)的控制信號(hào)有效。使用的控制信號(hào)如下：

ｓｔａｒｔ：通過(guò)神經(jīng)元芯片要求ＥＰ１Ｃ６Ｑ進(jìn)入信號(hào)采集狀態(tài)控制，高電平有效。

ｌｃｋ：數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，低電平有效。當(dāng)ＥＰ１Ｃ６Ｑ的輸出信號(hào)ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ有效后，神經(jīng)元芯片向狀態(tài)寄存器寫入命令字以使ｌｃｋ信號(hào)有效。為了保證所有通道的計(jì)數(shù)器已經(jīng)停止工作，神經(jīng)元芯片接收到ｒｅａｄ＿ｔｉｍｅ后將延遲ΔＴ時(shí)間后再鎖存計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)。

ｈ１？ｈ２：計(jì)數(shù)值高八位、中八位、低八位的選擇控制。為了滿足系統(tǒng)要求的測(cè)量精度， ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部采用二十位計(jì)數(shù)器對(duì)每一路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，而神經(jīng)元芯片的數(shù)據(jù)總線是八位，因此需要分三次讀出。

（４）譯碼電路設(shè)計(jì)

神經(jīng)元芯片一般采用內(nèi)存映象法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。所謂內(nèi)存映象法，是指給芯片外部的寄存器、存儲(chǔ)器或ＩＯ單元分配一個(gè)物理地址，以便于對(duì)外設(shè)操作，這相當(dāng)于對(duì)該物理地址的操作。譯碼電路主要提供ＦＬＡＳＨ、狀態(tài)寄存器和六十五個(gè)計(jì)數(shù)器的片選信號(hào)。系統(tǒng)的地址分配如下：

Ｅ８００～ＥＦＦＦ？數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用于保存各個(gè)通道的計(jì)數(shù)值。

００００～７ＦＦＦ？外圍ＦＬＡＳＨ區(qū)。

８０００～８０４０？六十五個(gè)計(jì)數(shù)器的內(nèi)存地址。

８０４１～８０４２？狀態(tài)寄存器的內(nèi)存地址。

８０４２～Ｅ７ＦＦ？用戶備用空間。

（５）分頻電路

計(jì)數(shù)器單元的計(jì)數(shù)時(shí)鐘是把輸入的全局時(shí)鐘分頻得到的。１２ＭＨｚ的有源晶振輸出通常可作為全局時(shí)鐘，分頻電路采用ＶＨＤＬ語(yǔ)言設(shè)計(jì)，分頻次數(shù)設(shè)定值的變換由計(jì)數(shù)器的溢出標(biāo)志控制。

ｂ．神經(jīng)元芯片的內(nèi)部編程

本編程設(shè)計(jì)主要用于完成與系統(tǒng)的同步和控制ＥＰ１Ｃ６Ｑ程序的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)接到信號(hào)處理模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)后，該程序?qū)?dòng)ＥＰ１Ｃ６Ｑ內(nèi)部程序并開(kāi)始計(jì)數(shù)，以將最終的計(jì)數(shù)值讀到內(nèi)部ＲＡＭ區(qū)。

３、注意事項(xiàng)

在整個(gè)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)考慮以下兩點(diǎn)：

第一是芯片的選擇。與普通電路開(kāi)發(fā)不同的是，本設(shè)計(jì)方案的前期編譯和仿真驗(yàn)證不需要拘泥于某一具體型號(hào)的芯片，只要滿足方案所需的邏輯單元的數(shù)量、控制時(shí)序的精度和存儲(chǔ)區(qū)間的大小等要求，就可以在軟件開(kāi)發(fā)工具中編譯仿真。可到方案成熟后，再考慮一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，如芯片以及所需電源和配置芯片是否容易買到，提供的ＩＯ接口類型是否滿足需要，芯片的封裝形式是否會(huì)影響到ＰＣＢ板的制作等問(wèn)題。

第二是時(shí)序電路和組合電路的轉(zhuǎn)化。在一個(gè)系統(tǒng)中，時(shí)序電路和組合邏輯電路一般同時(shí)存在。兩種類型的電路都作為輸入時(shí)，為避免毛刺現(xiàn)象，可以在組合邏輯的輸入之前加Ｄ觸發(fā)器，以將組合邏輯電路轉(zhuǎn)化為時(shí)序電路。在多級(jí)時(shí)鐘系統(tǒng)中，為了滿足建立和保持時(shí)間的要求，往往需要在低頻時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的邏輯電路的輸出端加一級(jí)高頻時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的Ｄ觸發(fā)器，以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘之間的同步。但這樣做會(huì)增加輸入和輸出之間的時(shí)間延遲，嚴(yán)重時(shí)可能通不過(guò)編譯軟件的時(shí)序驗(yàn)證。因此，可以將其轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的組合邏輯電路，以使其比較容易實(shí)現(xiàn)。

４、結(jié)束語(yǔ)

該方案已經(jīng)通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果能夠滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到成本問(wèn)題，選擇的芯片不能與５Ｖ系統(tǒng)直接相連，這使得多路輸入信號(hào)給整個(gè)電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。如果排除這些因素，該方案還可以得到進(jìn)一步的改善。

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