在系統(tǒng)可編程(ISP)技術(shù)及其器件是90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)與新器件,。它使我們能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品中的器件,、電路板乃至整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組,。采用這種器件開(kāi)發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)，其升級(jí)與改進(jìn)是極其方便的。由于采用先進(jìn)的E2CMOS技術(shù),，就保證了這種器件具備10000次以上的擦寫(xiě)能力,。
　　高密度ISP器件像任何其它器件一樣可以在印刷電路板(PCB)上處理，因此編程這種器件不需要專(zhuān)門(mén)的編程器和復(fù)雜的流程,。編程時(shí)僅需一根接口電纜,，便可將命令和數(shù)據(jù)下載到ISP器件。采用傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)技術(shù),，一旦系統(tǒng)按要求設(shè)計(jì)完成后,，若要升級(jí)，進(jìn)行硬件修改,，排除硬件故障,，是很困難的和不經(jīng)濟(jì)的。然而,，采用ISP器件進(jìn)行設(shè)計(jì),，在設(shè)計(jì)、制造完成后,，如果需要重新組態(tài),、升級(jí)，只需采用軟盤(pán)升級(jí)方法,，在現(xiàn)場(chǎng)就可重新組態(tài)邏輯,。在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)過(guò)程中,，設(shè)計(jì)的驗(yàn)證是必不可少的,，它可以使設(shè)計(jì)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并加以修正,，確保最終的設(shè)計(jì)無(wú)誤,。ISP器件在設(shè)計(jì)完成后可立即編程，進(jìn)行軟件仿真,，以利于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題,。這種軟件仿真可以非常方便地檢查設(shè)計(jì)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，而測(cè)試向量和輸入激勵(lì)都可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn),。
　　用ISP器件取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成電路,、接口電路,、專(zhuān)用集成電路已成為數(shù)字技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),。在構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，這種器件具有下述特點(diǎn)：由于一片ISP器件的集成規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)個(gè)PLD等效門(mén),，可以代替數(shù)十個(gè)至數(shù)百個(gè)分立器件，因此能夠大大縮小硬件系統(tǒng)的體積,、減輕重量,、降低功耗,；還可以提高系統(tǒng)的可靠性，使之易于獲得高性能,、具有很強(qiáng)的保密性,；同時(shí)也可降低系統(tǒng)成本。
1 I/O電路組成
1.1 變M/T轉(zhuǎn)速測(cè)量法分析
　　由于光電式測(cè)速系統(tǒng)具有低慣量,、低噪聲,、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)，因而常用于高精度交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量,。其工作原理是：與交流伺服電機(jī)同軸的光電編碼器隨電機(jī)的旋轉(zhuǎn),，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的兩相(A相、B相)相隔π/2電脈沖角度的正交編碼脈沖,，經(jīng)過(guò)四倍頻電路細(xì)分后產(chǎn)生四倍頻脈沖信號(hào),。脈沖計(jì)數(shù)電路對(duì)四倍頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)其采樣,，并將該采樣值與固定頻率的高頻時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較,、計(jì)算后便可得到被測(cè)交流伺服電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。在測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)所用的變脈沖數(shù)/脈沖周期測(cè)速法(變M/T速法)是為了解決常用的M/T測(cè)速法所存在的檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),、測(cè)速誤差較大而提出的,。變M/T測(cè)速法在測(cè)速過(guò)程中，不僅被測(cè)的脈沖信號(hào)頻率f_m隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同而變化,，而且檢測(cè)時(shí)間T也是隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同而變化,，檢測(cè)時(shí)間T將始終等于被測(cè)脈沖信號(hào)的M_p個(gè)脈沖周期之和，如圖1所示,。

　　由圖可見(jiàn),，通過(guò)測(cè)量時(shí)間T和在此時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)值M_p就可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。檢測(cè)時(shí)間T可由計(jì)數(shù)器對(duì)頻率為f_c的時(shí)鐘脈沖所得的計(jì)數(shù)值M_c獲得,，即T＝M_c/f_c,。設(shè)電機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出t個(gè)光電編碼脈沖，四倍頻后每轉(zhuǎn)可得到4t個(gè)測(cè)速脈沖,，則對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為θ＝2πM_p/(4t),。由此可以得到變M/T法的轉(zhuǎn)速測(cè)量值計(jì)算公式：n＝60θ/(2πT)＝60f_cM_p/(4tM_c) (r/min)。常用的變M/T法的測(cè)量電路如圖2所示,。

　　其測(cè)量方法是：由R,、C及門(mén)電路等分立器件構(gòu)成的模擬微分式或積分式四倍頻電路對(duì)光電編碼器的A相和B相正交編碼脈沖信號(hào)進(jìn)行四倍頻細(xì)分。由兩片通用計(jì)數(shù)器8253芯片,、一片8255芯片,、一片8259芯片及數(shù)個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成采樣和計(jì)數(shù)電路，其中一片8253芯片用于計(jì)數(shù)測(cè)速脈沖，另一片用于計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖,。采樣定時(shí)器發(fā)出的采樣信號(hào),，送至D觸發(fā)器(1#)，使其輸出置“1”,，當(dāng)四倍頻脈沖的上升沿到達(dá)D觸發(fā)器(2#)時(shí)D觸發(fā)器(2#)置“1”,，經(jīng)R、C單穩(wěn)電路后,，一路送至8259芯片的IR0端,，作為中斷請(qǐng)求信號(hào)；另一路送D觸發(fā)器(3#)作為1#,、2#計(jì)數(shù)器8253芯片的通道切換信號(hào),；第三路使D觸發(fā)器(1#、2#)清“0”,。 1#,、2# 8253芯片的A口、B口的門(mén)控極GATE分別由D觸發(fā)器(3#)的Q及端控制,。當(dāng)Q＝1,、＝0時(shí)，A口進(jìn)行計(jì)數(shù),，B口保持前一檢測(cè)周期的計(jì)數(shù)值,，以供CPU讀取。當(dāng)下一個(gè)采樣信號(hào)到來(lái)時(shí)將使Q＝0,、＝1,，則情況正好與前相反，B口計(jì)數(shù),，A口保持,。CPU通過(guò)檢測(cè)8255芯片的PB1口，便可判斷應(yīng)該讀A口還是B口,。
　　上述分立器件電路存在著很多不足,。(1) 常用的模擬微分型或積分型四倍頻電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩而且工作穩(wěn)定性較差。一者,，電路中電容的取值既要保證相鄰的倍頻脈沖不重疊,，又要防止由于電容值過(guò)大導(dǎo)致后級(jí)門(mén)電路因輸入電流過(guò)大而損壞；二者,，由于電阻,、電容的精度很低，由此構(gòu)成的四倍頻電路的脈沖周期很難保持一致,，而變M/T法又要求在同一速度下四倍頻后的脈沖周期保持嚴(yán)格一致,；再者，由于電阻,、電容的值隨運(yùn)行時(shí)間,、溫度的變化會(huì)發(fā)生變化，同樣會(huì)對(duì)脈沖周期產(chǎn)生影響,。(2)由分立器件構(gòu)成的變M/T法測(cè)量電路存在著電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn),，除電阻、電容外,，還需要十幾片各種門(mén)電路,、觸發(fā)器、外圍芯片等,。由于器件較多,，易受外界噪聲的干擾，抗干擾能力較差,。(3)上述測(cè)量電路在每次中斷響應(yīng)時(shí)CPU都要發(fā)出六個(gè)讀信號(hào),，首先讀電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)及通道切換信號(hào)，CPU對(duì)讀入的通道切換信號(hào)進(jìn)行判斷后再讀1# 及2# 計(jì)數(shù)器A口或B口的高8位及低8位計(jì)數(shù)數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)采樣頻率很低,。
1.2 脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路及位置給定信號(hào)計(jì)數(shù)電路
　　PWM電路包括PWM信號(hào)生成器及驅(qū)動(dòng)電路，常采用PWM集成電路或分立器件組成,。PWM信號(hào)生成的方法較多,，組成的電路也各不相同。但基本原理都是通過(guò)控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間比(即調(diào)節(jié)脈沖寬度)來(lái)控制交流電機(jī)定子電流的幅值與頻率,，從而達(dá)到控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的,。
　　常用的位置伺服控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速的控制都分立于位置閉環(huán)控制,。不僅國(guó)內(nèi),，即使國(guó)外進(jìn)口的交流伺服系統(tǒng)，也大多只提供模擬轉(zhuǎn)速指令輸入端口,。因此,，在設(shè)計(jì)位置控制系統(tǒng)時(shí)，即使采用進(jìn)口的交流伺服系統(tǒng),，也需要設(shè)計(jì)位置控制板,，組成硬件位置閉環(huán)控制，以便處理上位工控機(jī)發(fā)出的位置給定信號(hào)(數(shù)字量),，即在位置控制板中將位置給定信號(hào)與反饋信號(hào)比較,、控制后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬轉(zhuǎn)速給定量(模擬電壓)，輸出至交流伺服系統(tǒng),，進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制,。也可以組成軟件位置閉環(huán)控制,，即由上位機(jī)對(duì)位置信號(hào)采樣后進(jìn)行計(jì)算、控制,，并輸出數(shù)字量的轉(zhuǎn)速給定信號(hào),，由位控板中的D/A器件轉(zhuǎn)換為模擬轉(zhuǎn)速給定量(模擬電壓)，以控制轉(zhuǎn)速,。
　　這些電路同樣存在很多不足,。一者，整個(gè)位置控制系統(tǒng)較龐大,，使用的元器件也很多,；二者，轉(zhuǎn)速的給定都需經(jīng)過(guò)數(shù)字量→模擬量→數(shù)字量(在交流電機(jī)的數(shù)字控制中需要進(jìn)行這一步轉(zhuǎn)換)的轉(zhuǎn)換,，其轉(zhuǎn)換精度難以保證,。
2 全數(shù)字I/O電路
　　為克服上述電路的不足，我們利用Lattice公司的高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件ispLSI1032－80設(shè)計(jì)了單片全數(shù)字I/O電路,。該器件的集成規(guī)模為6000PLD等效門(mén),，一片高密度在系統(tǒng)可編程邏輯器件完全可以容納整個(gè)全數(shù)字I/O電路，而且同一個(gè)芯片內(nèi)的門(mén)電路,、觸發(fā)器,、三態(tài)門(mén)等的參數(shù)特性完全一致。另外,，由于所有電路做在一個(gè)片子上,，抗干擾性能比分立器件構(gòu)成的電路也有極大的提高。
　　由ISP器件構(gòu)成的數(shù)字I/O電路包括：變M/T法轉(zhuǎn)速測(cè)量電路,、速度給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路,、PWM形成電路三部分。
2.1 變M/T法轉(zhuǎn)速測(cè)量電路
　　該電路包括采樣信號(hào)構(gòu)成電路,、數(shù)字四倍頻電路,、12位測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器A、16位高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器B,、數(shù)據(jù)鎖存器(29位),、輸出三態(tài)門(mén)(29位)。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示,。因?yàn)镮SP器件的I/O單元作為輸出時(shí)具有三態(tài)緩沖特性,，故利用其中的29個(gè)I/O單元構(gòu)成輸出三態(tài)門(mén)，連到DSP的32位數(shù)據(jù)總線(xiàn)上,。該輸出三態(tài)門(mén)的門(mén)控信號(hào)由門(mén)控信號(hào)產(chǎn)生電路將DSP的READ信號(hào),、IOSTRB信號(hào)及片選信號(hào)組合而成，該信號(hào)接到29個(gè)輸出三態(tài)門(mén)的輸出使能端上,，供DSP讀取,。中斷響應(yīng)時(shí)只需要一次讀就可將電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào),、四倍頻測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)值、高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值讀入DSP中,。數(shù)字四倍頻電路將光電編碼器發(fā)出的正交編碼脈沖(A相,、B相)細(xì)分后產(chǎn)生四倍頻脈沖供計(jì)數(shù)、采樣使用,。同時(shí)，正交編碼脈沖還將產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào),。采樣信號(hào)構(gòu)成電路將DSP發(fā)出的速度采樣脈沖及數(shù)字四倍頻電路輸出的脈沖綜合后,，按數(shù)據(jù)鎖存、中斷申請(qǐng),、計(jì)數(shù)器清零的順序發(fā)出脈沖信號(hào),，控制采樣邏輯的順序。測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器,、高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器是根據(jù)電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)及最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的12位及16位不可逆計(jì)數(shù)器,。