根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的功能要求，進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)、軟件與硬件的任務(wù)分配。上位機(jī)CPU軟件部分的主要任務(wù)是完成輪廓粗插補(bǔ)運(yùn)算、升降速控制、加工程序段解釋、用戶界面處理和圖形模擬功能的實(shí)現(xiàn)等。硬件部分的主要任務(wù)是利用并行接口實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的控制，以控制主軸模擬量輸出；實(shí)現(xiàn)與雙端口RAM的數(shù)據(jù)通信，以傳送FPGA精插補(bǔ)所需的數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)與控制芯片CPLD和FPGA的數(shù)據(jù)通信；實(shí)現(xiàn)與液晶屏LCD的接口；利用通信接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)串口的數(shù)據(jù)通信；利用GPIO口實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤掃描芯片的控制。下位機(jī)FPGA實(shí)現(xiàn)以下功能：a.脈沖發(fā)生模塊。FPGA內(nèi)部的核心模塊，對(duì)接收的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理，得到控制精插補(bǔ)運(yùn)算所需的時(shí)鐘信號(hào)；從雙端口RAM中讀取各軸進(jìn)給增量；通過精插補(bǔ)DDA積分器將CPU送出的各軸進(jìn)給增量，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)和進(jìn)給方向信號(hào)。

　　b.手輪和編碼器計(jì)數(shù)模塊。對(duì)4個(gè)編碼器返回信號(hào)及手輪順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)格數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)，并輸出計(jì)數(shù)值供CPU讀取計(jì)算。c.I/O控制模塊。CPU通過該模塊可讀取輸入開關(guān)的狀態(tài)電平，設(shè)置輸出開關(guān)量電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部繼電器的閉合或斷開控制。

　　電路設(shè)計(jì)ACEX是面向低端應(yīng)用的中等密度、高性價(jià)比的FPGA，分為1K10，1K30，1K50和1K100，容量分別為1萬、3萬、5萬和10萬門，雖然容量不同，但是在相同封裝的情況下管腳兼容（個(gè)別情況除外）。

　　基于容量和I/O數(shù)量的要求，選擇了ALTERA公司ACEX系列的EP1K50QC208，其豐富的邏輯資源和I/O數(shù)量可以為數(shù)控系統(tǒng)提供大量的脈沖發(fā)生、脈沖計(jì)數(shù)和I/O控制能力，從而簡化系統(tǒng)的硬件電路、降低系統(tǒng)的功耗、提高系統(tǒng)的可靠性。

　　EP1K50QC208是基于SRAM工藝的可編程器件，配置數(shù)據(jù)放在SRAM中，掉電后將丟失系統(tǒng)原有的邏輯功能，所以系統(tǒng)再次上電必須對(duì)SRAM重新加載配置數(shù)據(jù)。ALTERA公司FPGA的配置方式有：a.下載電纜配置方式。一般用于實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)階段，對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)完的應(yīng)用系統(tǒng)，會(huì)帶來很多不便。b.主動(dòng)配置方式。不需要其它的外圍控制器，由FPGA自身引導(dǎo)整個(gè)配置過程，采用專用存儲(chǔ)器放置配置數(shù)據(jù)。c.被動(dòng)配置方式。不必采用ALTERA的專用存儲(chǔ)器，使用廉價(jià)的通用程序存儲(chǔ)器就可以實(shí)現(xiàn)，在一定程度上可以降低成本。

　　為了保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在關(guān)鍵、核心設(shè)備中必須采用加密技術(shù)。但以上幾種配置方法在系統(tǒng)加電時(shí)，都需要將配置的比特流數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)序?qū)懭隨RAM工藝的FPGA.因此，采用一定的電路對(duì)配置FPGA的數(shù)據(jù)引腳進(jìn)行采樣，監(jiān)視配置的位數(shù)據(jù)流，可以進(jìn)行克隆設(shè)計(jì)。所以在設(shè)計(jì)中必須要考慮到FPGA的加密問題，以保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　如果單從FPGA的配置方面考慮，采用EPC系列的專用配置芯片或直接采用微處理器進(jìn)行配置，可以簡化外圍電路，降低配置成本。但對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)整體，配置只是其中的一部分，要從系統(tǒng)的保密性、I/O數(shù)量、電路的簡化度和系統(tǒng)的可靠性等個(gè)方面綜合考慮。

　　本系統(tǒng)選用一片具有84引腳PLCC封裝的CPLD芯片EPM7128S完成對(duì)FPGA進(jìn)行被動(dòng)串行配置。EPM7128S是ALTERA公司MAX7000系列的CPLD芯片，具有編程加密位，在器件編程時(shí)激活該加密位，將使固化在EPM7128S芯片內(nèi)的電路邏輯無法被讀出，從而提高了系統(tǒng)的保密性；除了配置所需要的I/O口外，還有24個(gè)I/O可供系統(tǒng)使用；可分擔(dān)部分工作量，而無需選擇容量更大的FPGA，從一定程度上降低了成本。CPLD與FP2GA的接口如所示。EPROM需要根據(jù)配件的大小來選擇，ACEX1K50的配置文件大小為96kB，因此選用的EPROM型號(hào)為M27C1001B.

　　軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)初始化時(shí)，CPU向CPLD發(fā)送一個(gè)開啟配置的命令，CPLD接收到該命令后產(chǎn)生一個(gè)由高到低的跳變送到nCONFIG引腳，nCONFIG信號(hào)抬高后，nSTATUS將隨之變?yōu)榈碗娖剑珻PLD檢測(cè)到此變化后就認(rèn)為FPGA已經(jīng)做好準(zhǔn)備可以開始配置。配置時(shí)鐘的**個(gè)上升沿與nCONFIG的上升沿之間要求至少有5μs的時(shí)間間隔。由于配置數(shù)據(jù)是與配置時(shí)鐘的上升沿同步的，在配置時(shí)鐘的上升沿之前應(yīng)當(dāng)將1位的配置數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上準(zhǔn)備好，配置數(shù)據(jù)按低位在先高位在后的順序從數(shù)據(jù)線上送出。當(dāng)全部配置數(shù)據(jù)送出以后，CONF_DONE信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑砻髋渲媒Y(jié)束。CPU檢測(cè)到CONF_DONE變成高電平后，就結(jié)束配置過程，此時(shí)DCLK必須用多余的10個(gè)周期來初始化該器件。在配置過程中，系統(tǒng)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，nSTATUS將被拉低，CPLD檢測(cè)到該信號(hào)后，將nCONFIG信號(hào)拉低，重新啟動(dòng)配置過程。配置時(shí)序如所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證FPGA中用VHDL語言編寫的程序，經(jīng)MAX+PLUSⅡ編譯生成配置文件（。sof），并通過格式轉(zhuǎn)換為（。rbf）格式，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器M27C1001B中。系統(tǒng)測(cè)試中，上電運(yùn)行后，通過CPLD將配置數(shù)據(jù)加載到FPGA中，同時(shí)CPLD監(jiān)視FPGA的配置狀態(tài)指示信號(hào)，將配置狀態(tài)返回到CPU控制端，從而成功實(shí)現(xiàn)了FPGA的配置。FPGA從雙端口RAM中接收精插補(bǔ)所需的數(shù)據(jù)，在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)完成精插補(bǔ)運(yùn)算；對(duì)手輪及編碼器返回的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。

　　同時(shí)，通過CPLD和FPGA實(shí)現(xiàn)了外部開關(guān)量的控制。*后經(jīng)過軟硬件聯(lián)調(diào)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了四軸直線插補(bǔ)及任意兩軸的圓弧插補(bǔ)，且進(jìn)給速度均勻連續(xù)、插補(bǔ)穩(wěn)定，并具有升降速功能；可實(shí)現(xiàn)刀具的半徑補(bǔ)償；系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)具有RS232通信功能；系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作菜單中文顯示，易于操作使用。

　　結(jié)語雖然單從FPGA的配置方面來看，采用CPLD對(duì)FPGA進(jìn)行配置，比采用EPC專用配置芯片或采用微處理器直接配置的成本高。但從數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)上來講，利用CPLD對(duì)SRAM工藝的FPGA進(jìn)行加密，克服了采用專用配置芯片配置保密性差的缺陷，同時(shí)增加了數(shù)控系統(tǒng)通用I/O口的數(shù)量，成本與采用微處理器直接配置的成本相當(dāng)，而該系統(tǒng)更具保密性與安全性，且簡化外圍電路，提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。