[发明专利]可在线编程自动控制用全方位计算机类集成电路

说明书

本发明涉及一种由快擦写存储器(Flash Memory)ETOX和可编程逻辑器件CPLD以及中央处理单元CPU和一些专用单功能器件构成新型计算机系统电路。

目前的现有技术中，复杂的高级智能自动控制系统一般都是由数片以上不同功能的集成电路经印制电路板安装连结构成控制核心，有些甚至由数块印制电路板组装而成，这样的控制器不但体积大、功耗高、制造工艺复杂、成本高，而且其功能比较单一，安装维护困难，环境条件要求高，升级换代硬件变动大；加上目前集成电路的可实现功能一般都有可知性和局限性，有一定自动控制电路应用经验的人便能通过IC解密进行产品分析，了解其工作原理，进行仿造，严重影响开发者的有效权益。针对这些问题不少有实力的电子元件开发制造商都在寻求解决之道，并在许多领域都取行了巨大成就，如微处理器的功能和速度不数升级换代，可编程逻辑器件PLD、EPLD、FPGA、CPLD的不断推成出新和存储器EPROM、EEPROM、ETOX等的不断涌现和功能增强完善等，就可见成就非凡，但遗憾的是，智能自动控制虽做为计算机应用的一大主流不断壮大起来，但针对该领域对体积和功耗要求以及产品性价比的特殊性并没有引起电子元件开发制造商家的足够重视，到目前为止，其特色产品单片机的发展速度远不如微处理器的发展势头，只在其运算速度和功能上稍有进步，其可编程接口器件PSD和可编程器件FPGA、EPLD和CPLD的出现虽带来了一定改进，但在体积和耗及保密性三个方面却还不能满足高级智能自动控制领域的需求。另外，与控制器接口的传感器方面，随着光电技术的日益完善，其在抗干扰性和稳定性以及精度等方面的优势，必将在一定领域取代模拟压电传感器，加上V/F技术的一些优势不断超越A/D转换器；在执行件方面，PWM控制随着大功率半导体器件发展，在自动控制中也将日益普及，与之匹配的计数器和定时器在自动控制系统中的使用量也必然直线上升。

本发明的目的就是针对以上因素，设计一种通用性强，灵活性高，功能齐全的自动控制专用微型计算机电路，使之成为即能独立完成从与传感器接口的数据采集到运算处理到发出执行指令等功能，又有较强的外设接口和与上级机接口的扩展能力的自动控制计算机电路，达到进一步减小控制器体积和功耗，增加其通用性，灵活性及保密性。

本发明的方案是运用现在比较成熟和先进的Flash Memory和CPLD等技术，将一种新型可在线编程的中央处理单元CPU，接口计数器/定时器阵列单元CTU(CTR TIMER UNIT)，全局多路输出定时单元D/T，可编程逻辑器件CPLD和扩展数据绶冲存储单元SRAM以及用于器件间可变连接端口编程配置的可编程内部连线PI(Programmable Intercnnect)支持器件编程或兼做用户存储器的单向型ETOX存储器以及快逻辑运算单元FALU(FlashALU)，输出端口数据寄存器阵列PDR和可编程器件编程监控器PPC(Programmable Programme Control)内部时钟源等集成在一个或几个硅晶片上封装在一起构成全方位自动控制用计算机集成电路，对电路内部有常规接法的端口(数据总线或特定指令线)进行定点连结，得以缩短逻辑延迟和简化电路结构及编程工作，而有适当变化的端口用配置寄存器CPR实现编程配置；这种有机组合的方式对简化内部构造和外部引脚连结以及提高速度和保密性与降低功耗均有很大作用。本发明由两级可编程级连型计数器做CPU的时序数据生成器，与只读型SRAM存储器构成的时序译码器和时序修正译码器相组合，构成16位控制指令代码生成系统，其指令线的低10位为器件内SRAM型主随机读写存储器的读写地址专用，高6位形成指令线控制中央处理单元的运算和与外围的数据交换工作，其运算器由可编程的加减法器和乘除法器及高速刷新的可编程逻辑器件CPLD以及查找表运算体系四部分构成，其中的乘除器采用独特的混行运算体系，不但结构简单，而且运算速度快，逻辑运算由高速刷新的CPLD和寻址查表结合，由CPLD可完成宽位的简单逻辑运算，以减小对寻址查表存储器资源占用量。本发明的另一特色是采用大量不同功能和型号的计数器和定时器构成共数据总线，统一分配与CPU进行数据交换控制，独立使用外接功能端，能实现多路同步数据采集及PWM指令生成，可由配置寄存器及译码器进行器件功能设置的接口计数器定时器系统；其中的加计数器有计数和计时两种工作模式，可与不同频率源的光/电传感器或V/F转换接口，代替A/D转换器，可逆计数器则用于不间断精确定位跟踪或周期性可逆速度测试，而定时器可工作于数/频模式或数/时模式分别用于D/F转换或PWM定时；而可编程计数器用于调频调幅交流电的相位角生成，与定时器和输出寄存器结合，在CPU的支持下可构成宽频带的调频调幅信号生成用于单向或三相可逆的调频调速。本发明还针对不同接口数据采集的特性设计出可编程多路输出定时单元D/T用于计数器的采样周期定时和CPU及片外所需时间定时。本发明还在中央连线阵上配置了一个小规模可编程逻辑器件CPLD以补充适量的逻辑变量。本发明采用四个分立读写地址及数据结的SRAM存储器做为扩展数据绶冲存储器，串行输入和输出的可用于与上级机或遥控器接口进行数据交换，16位并行输入和输出的可用于与外围器件接口补充内部数据采集体系或指令生成体系的不足；四个存储器的对外接口能立相互独立，可实现互不干扰的同步工作。本发明采用三个相互连接的可编程内部连线PI将内外可变连结端分片集中起来实现编程连结，其中PI1主要用于CTU和FALU与外部信号源和内部信号源的编程配置，其中16线输出兼作PI2的输入信号；PI2用于各器件输入和输出信号的编程配置，是器件的中央可编程连线阵；PI3主要用于指令输出端口的优化连接作用，用于提高输出位置的灵活性和减少不必要的输出数量，其特点是每个输出均为输出三态门的门闩，端口为低电平时输出引脚为低电平，为高电平时该引脚为高阻抗状态。本发明中的内部非易失性ETOX存储器的工作为单向型，即只能通过电路引脚进行写和擦除操作，其读写操作地址均由内部计数器产生，且不能向编程数据端输出存储数据，ETOX的读操作分为等容量的四块，其中第一块为支持器件编程配置专用，第二、三、四块兼作器件编程配置用和用户数据存储器；ETOX的写和擦作操作可分为四块以上，其中配置专用块只能整片擦除，其余块可分为数个擦除保护区以用于保护不同的用户数据，第二、三、四块有两路输出允许三态门，分别为编程配置输出和用户数据输出，与读地址同时被选定，因此可实现器件的编程配置和执行用户程序中的片内寻址查表互不干扰。本发明针对较多独立智能自动控制设备中均有内燃机的特点，在内部设计了一个应用于内燃机动力特性控制的快逻辑单元用于柴油机或汽油机的自动控制。本发明还针对单相或三相调频调幅的特点，将数个用于大功率晶体管开关控制的6位的寄存器组成共输入数据线，由CPU的指令系统统一分配写操作，而每个寄存器均有一个来自PI2的输出允许信号，并行输出的输出寄存器阵。本发明建议采用内部时钟信号源以获得最佳器件编程和CPU主频以及乘除运算三者的时钟频率；而三信号的最高频率不同，有效解决方案是可经分频后提供适当的频率，同时晶振信号和多种分频信号还被送到PI2供用户选用。