基于单片机和FPGA的舞台吊杆控制器的设计

　　2．2 单片机控制系统

　　单片机控制系统主要由C8051F020单片机组成，主要完成数据的接收与处理。C8051F020的特点是运算速度快、集成度高、引脚可配置、工作稳定和可靠性高。它完全能够满足舞台吊杆控制器对存储器容量、多种总线接口、处理速度和浮点运算等方面的要求。

　　C8051F020单片机有UART0和UART1两个串口，其中，串口UART0与LCD显示器连接，用于把舞台吊杆运行时的位置数据送给LCD显示器。单片机利用它的SMBUS接口连接带有I2C总线接口的E2PROM（FM24C64铁片存储器），把现场数据存入存储器，以备在掉电后得新上电时能够读出吊杆的当前位置，连续控制吊杆的运动；同时利用它的普通I/O口与网卡芯片RTL8019和FPGA控制器相连，实现数据的收发。

　　2．3 FPGA控制器的设计

　　FPGA控制器是利用EDA方法实现的，主要用 于对霍尔传感器过来的脉冲进行计数并控制电机。由于吊杆运动过程中产生的脉冲频率高，FPGA控制器计数量大，所以本设计选择了高容量、高性能的可编程逻辑器件，即ALTERA公司的FLEX 10K系列FPGA。

　　2．3．1 FPGA控制器的模块划分

　　根据系统功能要坟，FPGA控制器的顶层模块被划分为以下四个模块：两个5-32译码器、八路与门模块、八路16位可逆并行计数模块、电机控制模块，如图3所示。

　　两个5-32译码器模块的功能是提供与单片机的接口，实现可编程接口逻辑。八路计数模块（COUNTER8_FILE_LAST模块）包括八个单路计数模块、数据转换模块等，其功能是对霍尔传感器过来的八路脉冲信号进行可逆计数并完成16位数据与8位数据之间的转换。由于C8051F020单片机的数据长度是8位，而计数模块完成的是16位坟数，所以必须进行数据位数的转换。

　　2．3．2 FPGA模块的功能仿真

　　FPGA控制器是用ALTERA公司的FLEX10K10芯片，在MAX+PLUSII软件中进行设计综合的。根据上述的模块划分，在MAX+PLUSII中的仿真波形图如图4所示。

　　3 舞台吊杆控制器的软件设计

　　舞台吊杆控制器的软件主要包括：主程序、UDP数据的传输与解析程序、串口数据的发送程序、数据存储程序等。

　　3．1 通信协议设计

　　在舞台吊杆控制系统中，远程控制端通过局域网采用UDP/IP协议给舞台吊杆控制器发送命令并接收来自控制器的数据包。UDP/IP数据包的格式如下：

　　在使用该协议时，命令信息和状态数据都在UDP DATA数据区。为了完成控制目的，必须对这块数据区的数据制定协议，协议格式如表1所示。

　　表1 协议格式