基于cpld的数字信号处理电路
智能时栅位移传感器内部基于cpld的数字信号处理电路。电路采用双mcu＋cpld结构设计，内部嵌入主从式两块单片机，副mcu负责数据采集与预处理工作，主mcu通过接口电路与外界实现数据交换。动、定测头感应到的微弱信号
经放大、自动增益控制、滤波和整形等预处理电路后，得到供数字电路处理的方波信号。两路方波信号送入cpld进行处理，cpld包括双路比相器、脉冲当量计量电路、计数电路、总线收发三态控制电路等4个功能模块。
cpld芯片选用altera公司的max7000s系列器件epm7128slc84，它有128个逻辑宏单元，逻辑门数为2500门，在max+plusii软件环境下，采用vhdl和原理图输入相结合的方法进行设计。设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、布局、布线、延时仿真生成配置文件，最后以4引脚的jtag接口方式通过byteblaster下载电缆对cpld进行在线编程(isp)，完成结构功能配置，实现其硬件功能，制成专用芯片。为了避免器件内的设计被他人复制和取出，可通过对max7128s内部的一个保密位编程，对设计进行加密。当对器件重新编程时，保密位连同其它的编程数据均能擦除和重写。
动、定测头方波信号分别从do_input和di_input端输入cpld，采样信号int0_out由定测头信号di_input反相得到，通过双路比相器获取动测头信号do_input的上、下沿至采样时刻的相位差信号。fai_out1、fai_out2信号表示插入高频细分脉冲信号后的相位差信号，高频时钟脉冲由clk端输入，通过2路带允许端的20位同步计数器分别对插入的细分脉冲进行计数。每一个脉冲所代表的角度大小由脉冲当量计量电路来确定，用于计算脉冲当量的ti_out1信号由di_input信号二分频得到。
epm7128slc84输出信号int0_out与副mcu第12脚p3.2相连，每一脉冲下降沿触发副mcu中断一次。通过对各信号逻辑时序的分析，可以看出：动、定测头方波信号频率为50hz，为保证时栅位移传感器能正常工作，mcu必须每20ms中断一次(若信号频率为400hz，中断时间间隔为2.5ms)，也就是说mcu用于处理数据的时间只有20ms。mcu做多字节除法、乘法运算时，运行时间较长，且用于单片机与计算机间数据通信的时间就至少需要10ms，因此20ms时间mcu无法处理完全部工作。处理时间不够就会导致死机，传感器无法工作，实践也证明了这一点。
解决这一问题的方法通常是采取硬件分频，信号分频后，相应周期加倍，供mcu处理数据的时间加长。但在本设计中，无论是将动、定测头方波信号同时分频或仅将引起mcu中断的信号分频，均无法保证同时采集到正确的3个数据。
基于此，本文提出采用“软件分频”来解决这一问题，这也是采用双mcu的关键原因之一。中断信号int0_out每20ms触发副mcu中断一次，每4次中断采集一次数据，前面3次中断时副mcu通过程序判断中断次数而进行相应处理，为第4次中断时采集数据作准备，第4次中断时在中断服务程序中采集数据，包括φ1、φ2和ti等3个参数。其中，φ1、φ2和ti分别代表一个信号周期内插入fai_out1、fai_out2和ti_out1中的时钟脉冲个数。副mcu对数据进行预处理后，通过p3.1脚触发主mcu中断，接收副mcu传送的数据，这样，主mcu每80ms中断一次，供主mcu处理数据的时间增加为80ms，相当于4分频，但并没有改变各信号时序。这一思想在信号频率提高到400hz或更高后仍然适用，只需对软件作少量改动即可。
通过以上分析，不难看出：cpld逻辑功能仿真波形为硬件电路和程序的正确设计与优化提供了依据，具有逻辑分析仪的功能，为设计者带来了方便，这充分体现了采用cpld设计数字电路的优点。
总线收发三态控制电路实现副mcu在读取φ1、φ2和ti时分时复用20位数据总线d19～d0。副mcu每读一个数据，先通过使能端en让计数器停止计数，再通过rd端打开三态门读取数据，读完数据后关闭三态门，并通过clr端将计数器清零，为下一次读取数据做准备。副mcu对采集到的数据进行预处理后，送给主mcu。图1中，副mcu的p3.0脚与主mcu的p2.0脚相连是为了实现数据传输过程中2块mcu间的通信握手，数据准备就绪后，主mcu打开三态总线缓冲74ls244，从p0口读取数据。
数据采集与预处理软件设计
如前所述，数据采集与预处理在副mcu中断0服务程序内完成，程序流程图如图3所示。程序设计中采用了前面介绍的软件分频技术，流程图中φ代表不受预处理电路中整形芯片门限电压影响的准确相位角。
结束语
epm7128slc84在智能时栅位移传感器数字电路设计中取得了很好的应用效果，实现了硬件设计软件化，使用可编程逻辑器件技术避免了复杂的pcb布线，带来不仅在成本、开发周期、可靠性等方面的优势，而且大大增强了
