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基于晶体管图示仪的CPLD控制器设计
1 系统硬件设计 面板控制模块是由电位器、琴键开关和扭置开关等组成的简单电路，供使用者进行输入设置和调整。ARM处理器通过A／D采样和电平检测，获取电位器分担的电压和各个开关的状态，从而获取输入信息。之后根据输入信息处理，及时调整液晶屏幕上的显示，实现示波调整和观测内容切换的功能。液晶显示模块采用的是金鹏电子生产的OCM 128×128液晶显示屏，其成本低，体积小，信号处理简单，驱动技术成熟，十分适合本系统的应用。液晶屏的地址和数据共用数据总线，通过专用端口(如 C／D，CE，RD，WR等)控制数据和命令的输入与输出，其接口关系和时序简单明确，在ARM处理器上编写驱动程序十分简单。运动控制模块基于专用运动控制芯片MCX314，它拥有4轴(x，y，z，μ轴)驱动能力。MCX314芯片向步进电动机驱动器输出高低电平来控制电机的转动方向；输出变频脉冲信号来控制电机的转速。在一定的频率范围内，芯片输出脉冲频率越高，电机的转速越高。ARM处理器对MCX314的输出脉冲进行捕获，获取脉冲的时延，准确测得各轴的频率值，再通过软件算法将插补脉冲与刀具的运动速度和运动方向结合起来，产生运动轨迹数据，通过显示器模拟出来。从而直观地显示出脉冲插补和运动轨迹的对应关系，达到预期的实验效果。 2 软件系统设计 晶体管图示仪是电路设计中常用的电子仪器，它能够显示晶体管的输入特性、输出特性和转移特性等多种曲线和参数。它不仅可以测量晶体二极管和三极管，还可以测量场效应管、隧道二极管、单结晶体管、可控硅和光耦等器件。但传统的晶体管图示仪存在着电路复杂，体积庞大，示波管的显示屏小，功耗大，价格昂贵等缺点。随着计算机软硬件技术、单片机技术和EDA技术的不断发展及其在电工电子测量技术的应用，晶体管图示仪在结构、工作原理和功能上发生很大变化，成为数字化和智能化的虚拟仪器。本文设计的晶体管图示仪就是这样一种新型仪器，除改善了原有仪器不足之外，还扩展了仪器功能，具有图形保存，数据处理，界面显示灵活，可操作性强，性能价格比高等优点。 1 系统结构框图 1.1 传统晶体管图示仪结构及工作原理 在传统的晶体管图示仪中，各模块单元完全由模拟电路和脉冲数字电路组成，属于全硬件结构，如图1所示。它主要包括阶梯电流发生器、扫描电压发生器、垂直放大、水平放大和示波管等。图中W是负载电阻，R是电流采样电阻，T是被测三极管。所谓三极管输出特性曲线是：在基极电流不变的条件下，集电极电压和电流之间的关系。在测量三极管输出特性曲线时，阶梯电流发生器对T的基极施加阶梯电流信号，在阶梯电流的每一个台阶时间内，扫描电压发生器对T的集电极回路施加扫描电压。扫描电压是 50 Hz交流电经整流得到。T的集电极电流在采样电阻R上的压降(代表集电极电流)经垂直放大后加到示波管垂直偏转板上，T的集电极电压经水平放大后加到示波管的水平偏转板上。当施加的阶梯电流和扫描电压周期性地重复出现时，三极管输出特性曲线就可以显示在示波管上。 1.2 本图示仪结构框图 本图示仪的构成见图2。与图1相比不同的是：“垂直放大”、“水平放大”和“示波管”取消了，其功能由上位机承担;同时增加了单片机、CPLD、存储器和 A/D转换器等 2.1 A/D转换器和数据锁存器 A/D转换器是数据采集电路重要的部件之一，本系统的A/D转换器采用Maxim公司的MAX197。 MAX197 是一款多量程的12位A/D转换器，8路模拟信号输入，输出数据线8条，分为高4位和低8位输出，由HBEN端控制。当时钟频率为2 MHz时，转换时间为6μs。MAXl97在启动转换时，需要输入一个8位控制字，这个控制字若由单片机提供将使启动时间延长，难以提高采集速度，所以这里用到一个数据锁存器74LS373来保存控制字。 2.2 存储器和地址发生器 存储器采用两片2114,它是一款4 b×1K静态随机存储器。2114在存取数据时，除了需要外部提供片选信号和读写信号外，还需要提供地址信号。地址信号由地址发生器产生，地址发生器实际上是一个计数器。 2.3 控制器 控制器是数据采集电路的核心，由CPLD内部模块实现。这里的CPLD选用Altera公司的EPM7064。EPM7064有64个宏单元，1 250个可用门类，36个I/O脚。从可行性方面来说，RAM、地址发生器、74LS373和控制器都可以同时做到CPLD中，但RAM需要100个节，用CPLD来实现将占用大量资源，仅一片EPM7064就不够用。所以为了节省资源，降低成本，这里采用外接RAM2114。74LS373也采用外接方式，主要是考虑端口不够用。因此在CPLD内部仅安排了控制器和地址发生器(图3虚线框内)。 3 控制器结构设计 3.1 采集点数的确定及控制器接口要求 晶体管特性曲线中，输出特性曲线是最复杂的。输出特性曲线一般由8～10条线组成。在本系统中，每条线由50个点连接而成。每个点由一个电压值和_个电流值确定，每个电压(或电流)数据占两字节存储单元(数字量12位)，则每条曲线的电压值(或电流值)就
0 引 言
在数字控制的研究中经常需要检测多轴驱动器输出脉冲，以了解算法、插补脉冲、运动轨迹及其三者之间的关系。采用普通示波器虽然可以查看脉冲，但由于多数示波器是基于两轴设计的，对三轴和多轴的情况进行观察时操作很不方便，并且不能反映出脉冲和运动轨迹之间的关系。此外，在数控人才培训的过程中，初学者通过轨迹仿真这一过程来理解和分析整个机床各机构的工作原理具有一定的困难，要再进一步分析插补脉冲和机床运动之间的关系难度更大。
在此设计了一种基于ARM嵌入式处理器的专用数字图示仪，能帮助仅具有基本操作知识的使用者，直观清楚地了解插补过程中各轴脉冲的关系和对应算法下刀具运动的轨迹。
系统以采用NXP公司的ARM7 LPC2136高速处理器作为核心处理硬件，该处理器体积少，功耗低，价格便宜，性能较高，I／O资源丰富，运算速度满足系统需求。根据功能的设计要求，系统的硬件组成划分为面板控制模块、液晶显示模块、核心处理单元和运动控制模块4大部分，如图1所示。
系统的具体实现上，MCX314输出的信号分别为方向信号(高低电平)和脉冲信号，PP代表脉冲；PM代表方向；z，y，z分别对应各方向轴。液晶屏采用 I／O方式驱动，ARM处理器由P0．12～PO．15端口输出控制信号，由P0．16～P0．23端口写入或读取数据。显示波形的纵向增益、横向增益、触发电平及波形的扩展分别通过4个不同的电位器控制，ARM处理器对电位器上的电压进行A／D采样获取输入信息。另外，还设计了脉冲、特性和电压测试，以扩展该数字图示仪的应用场合。
软件系统由运行在实时操作系统μC／OS-Ⅱ上的两个任务和独立于操作系统的一个中断服务程序组成。显示更新任务负责将传人数据以图形方式及时准确地显示在显示屏上；操作检测任务负责将外界各项操作的电平信号转换为一定格式的数据传递给操作系统的其他任务，以便下一步处理；脉冲捕获中断服务程序负责计算运动控制芯片发送的脉冲频率，并检测方向电平的状态，确定电机转动方向。系统软件架构如图2 所示。
