FPGA的高速计数器设计

摘 要 为了提高工业控制器中高速计数器的计数频率和扩展计数模式，介绍一种利用 ()* +,，通过 -./0语言设计的高速计数器，有!&种工作模式，计数频率可达!’’1.2以上。同时 介绍了高速计数器的设计原理，提供了高速计数器与微处理器的接口实例。
关键词 高速计数器 （.34） 现场可编程逻辑阵列 （()+,） -./0语言
表# 计数器的工作模式
模式 +*
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+$
+! 控制码%.
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Biblioteka Baidu
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% 引言
高速计数器 .34 （.5673899:4;<=>9?）用来 累计比)04 扫描频率高得多的脉冲输入，利用其 产生的中断事件完成预定的操作，在现代自动控制 领域中 有 着 重 要 的 应 用 价 值。 本 文 介 绍 一 种 利 用 ()+,设计的 !$ 位 高 速 计 数 器，有 !& 种 工 作 模 式，其计数频率可达!’’1.2以上，在工业控制器 中具有较大的应用价值。考虑到计数器的多工作模 式，在 -./0 语言程序设计中，采用层次化设计 的方式。
解决了多中断源与有限的 >?@ 中外部中断输入端 之间的矛盾。
设计中用一个单脉冲电路使其变短并使中断信号为
低电平。其时序如图5所示。
图5 溢出中断时序图
在高速计数器的工作过程中，有四种中断可能 发生： 计 数 器 方 向 改 变、 计 数 器 溢 出、 计 数 器 复 位、计数到达预定值。当某种中断发生时，标志位 置中断寄存器9/:&的相应位为%，同时，外部中断 标志端9/:<$，引起 >?@ 产生中断，通过数据总 线读取9/:&的值，>?@ 就能判断引起中断的中断 源，执行相应的程序，完成某项预定的操作。
高速计数器的第三层设计，主要完成图 ) 中 4$模块%6位计数器的设计，直接调用 >#8A+’*B CC中’+D （E9FG#GH4#G#DI:IG9JI, >-,*’IB）库中的 元件’+D &-*/:IG。在各控制信号的作用下，实现 对计数脉冲的加减计数、计数初值装载、计数器复
位、产生计数溢出信号等。其端口各信号的意义分
器5=>H的 /M位置!，同时外部中断标志位5=>为 ’，产生外部中断请求；5’、5!、5"、5M为C个计数 脉冲输入端；高速计数模块为整个设计的核心。
& 高速计数器的顶层设计
高速计数器的设计中主要考虑了以下几方面的
问题：!双方向计数，即加法计数和减法计数。" 复位功能，内部控制或外部控制。#启动功能，内 部控制或外部控制。$初值装载，在内部启动信号 控制下同 步 装 入 初 值。 % 计 数 位 数，!$ 位。 & 工 作频率 大 于 !’’1.2。 ’ 时 钟 功 能， 单 时 钟、 加 时 钟和减时钟、相位差 @’A的 !B 和 CB 方式 ,D 时 钟。(中断信号，溢出中断、计数转向中断和外部 复位中断。)接口方式，E位数据总线等。其顶层 设计的结构框图如图!所示。在图!中，F4G 控 制器接口电路，主要完成与 F4G 的接口控制，其 内部的控制寄存器HI:各位实现对 .34 工作模式 的控制，计 数 初 值 寄 存 器 H;=J’、H;=J! 用 于 寄 存 !$位计数初 值， 计 数 值 寄 存 器 H;<’、H;<! 主 要 用 于存放 当 前 的 计 数 值， 预 置 计 数 值 寄 存 器 H;KJ’、 H;KJ!用于存放预置计数值，当预置值等于计数值 时，预置值比较器中断信号H;5=>L’，使中断寄存
! 高速计数器第三层设计
图3 计数器与 >?@ 的接口
& 结束语
利用 LMNE语言设计的高速计数器，在 >"V A4E@WCC中 编 译、综 合 后 下 载 到 "’:IG#公 司 的 O4P" Q4O%$R%$ 中 占 用 了 6$X 的 逻 辑 阵 列 块 （E"!）。在设计中，所有的寄存器都为0位，目的 是为了与0位的 >?@ 通信。在 O4P"A>?@ 构 成的工业控制器中，还可以利用O4P" 丰富的C／Y 口作为控制器的输入输出控制口，提高了工业控制 器的集成度。
O4P"Q4O%$R%$中，通过三总线方式由 >?@ 实 现对计数器工作模式、计数初值的设置和读出当前
的计数值等。微处理器 "SDIT#%)0与高速计数器 （O4P"Q4O%$R%$）的接口如图3所示，高速计数 器的计数中断端9/:与 "SDIT#%)0的外部中断输入 端CUS$ （4N$）相连。高速计数器的设计中采用 中断源寄存器与中断标志断相接合的方式，巧妙地
正交=<模式为7相时钟低电平时，6 相时钟 正跳为加计数，7相时钟高电平时，6 相时钟负跳 为加计数；7相时钟高电平时，6 相时钟正跳为减
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《电气应用》!""#年第!$卷第%期
基于 O4P" 的高速计数器设计
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计数，! 相时钟低电平时，" 相时钟负 跳 为 减 计 数。同 样，由 #$、#% 产 生 &’() 和 *+,-./) 的 信 号。要求 "、!时钟的周期不小于0倍工作时钟的 周期。
12)23 45模块的设计原理 控制模块 45，为对计数器操作和启动计数提
供使能信号。当计数器启动时，自动将装载值寄存
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图! 高速计数器的顶层设计图
’ 高速计数器的第二层设计
在高速 计 数 器 的 第 二 层 设 计 中， 主 要 完 成 对 !$位计数 器 工 作 模 式 的 控 制， 其 设 计 结 构 框 图 如 图"所示。它主要由!$位计数器模块)’和各控制 模块 )!、)"、)M、)C、)&、)$等组成。
器中的预装值装入计数器，需要在启动信号&+/上 跳时，产生一单脉冲的#’-#,，以驱动装载。 12)26 43模块的设计原理
控制模板 43，为计数方向改变中断产生模块， 根据&’(和78%判断当前的计数方向和方向的改变， 当计数方向变化时，产生中断信号789/:。 12)2; 46模块的设计原理
控制模板 46，为计数器满溢出中断信号产生 模块，在计数器工作时，当计数满&-*:<%时，产 生中断信 号 -=9/:， 由 于 最 后 一 级 输 出 的 进 位 脉 冲 很宽，故低电平中断信号的持续时间会很长，因此
《电气应用》!""#年第!$卷第%期
·工业控制 ·
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基于 !"#$ 的高速计数器设计
何永泰! 肖丽仙"
（!#楚雄师范学院物理与电子科学系 $%&’’’ "#楚雄应用技术学院 $%&’’’）
!"$"$ D#模块的设计原理 计数器工作在模式*:时，D#模块为计数器提
供计数脉冲。计数信号由+* （)*）输入，当)*有 上升沿产生时，D#产生一个计数脉冲%&(*。 !"$"! D$模块的设计原理
计数器工作在1$?计数模式时，D$模块根据 外部输入计数信号+* （)*）、+# （)#），提供计数脉 冲信号%&(#和计数方向控制信号 >3/’.4#。当)* 产生上沿时，>3/’.4# 为 #，计数器设为加计数， 然后输出一 个 加 计 数 时 钟 脉 冲 %&(#； 当 )# 产 生 上 沿时，>3/’.4#为*，计数器设为减计数，然后输 出一个减计数时钟脉冲%&(#。 !"$"= D!模块的设计原理
控制模 块 D! 根 据 外 部 输 入 计 数 脉 冲 信 号+* （)*）、+# （)#），为计数器工作在;$##计数模式 提供计数脉冲和计数方向控制信号。在计数模式为
;$##时，)*为 6 相时钟、)#为 7相时钟。6 相 时钟与 7相时钟相差;*E。在 6、7相计数模式选 择位89的控制下，实现正交#<模式和正交=<模 式的计数。其时序图如图!所示。
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其 中+*、+#、+$、+! 是 外 部 输 入 计 数 信 号；;、 #*、##模式在 6、7 相计数模式选择位89的控制
图! 6、7相计数模式的时序图
正交#<模式为7相时钟高电平时，6 相时钟 的跳变无效，7相时钟低电平时，6 相时钟正跳为 加计 数， 负 跳 为 减 计 数。 因 此， 由 )*、)# 产 生 %&($和>3/’.4$的信号。要求 6、7时钟的周期不 小于=倍工作时钟的周期。
!"#"$ 计数器工作模式 在状态控制字%./低=位码 0!0$0#0*的控
制下，计数 器 有 #$ 种 工 作 模 式。 工 作 模 式 如 表 # 所示。
下，又分#<模式和=<模式两种，因此实际共有 #:种工作模式。 !"$ 各模块的设计原理 !"$"# D*模块的设计原理
D*模块为#1位计数器，在相应控制信号的作 用下，实现#1位计数功能。其详细说明见高速计 数器的第三层设计。
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参考文献
% 赵俊超等编2集成电路设计 LMNE教程2北京：希望电 子出版社，)$$)
) 徐志军，徐光辉编著2?4EN／O4P" 的开发与应用2北
京：电子工业出版社，)$$) （下转第%11页）
直线电动机在机床伺服驱动应用中的若干问题与展望
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别为：*+,-./ 计 数 方 向 控 制 位；&’-&( 计 数 时 钟； &’( I/计数启动控制信号；#&’G复位信号；&-/7%6 位计数 初 值 数 据；#’-#, 装 载 信 号；&-*:计 数 进 位 输出端；K为%6位计数数据输出端。
" 高速计数器与微处理器 #$%的接口
利用 LMNE 语言设计的高速计数器，要下载 到可编程芯片中才能实现。在设计中，将其下载到
图" 高速计数器的第二层设计图
基于 FDG6 的高速计数器设计
《电气应用》!""#年第!$卷第%期
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!"# 各端口特性及计数模式 !"#"# 端口特性
在图$中，各端口信号的特性如下：!计数器 的时钟信 号 %&’%(， 上 升 沿 有 效。 " 计 数 输 入 控 制 信号 )*、)#、)$、)!，对 应 计 数 器 的 输 入 端+*、 +#、+$、+!。# 计 数 方 向 控 制 信 号,-， 对 应 于 状 态 控制寄存器%./的 01位，为计数器工作在*$$ 模式时的方 向 位，,-2# 加 法 计 数，,-2* 减 法 计 数。%时钟使能信号%34，对应于状态控制寄存器 %./的 05位，%342#，时钟有效，%342*，时钟 无效，用于控制 计 数 器 的 启 动 和 停 止。&6、7 相 计数模式的选择位89，对应于状态控制寄存器%./ 的 0:位，用于在;$#*工作模式中选择#<模式 和=<模式，892#时=<模式，892*时#<模式。 ’计数模式选择字 （=位）%.，对应于状态控制寄 存器%./的 0!0$0#0*位，其工作模式与模式选 择字的关系如表#所示。(计数器计数初值%’>,*， %’>,#，为$<?位计数器的计数初值输入端。)计 数器溢出中断标志位 ’@+4A，’@+4A2* 表明计数器 满值 （加计数）和零值 （减计数）。*计数方向改 变中断标志位,-+4A，,-+4A2* 表 明 计 数 方 向 改 变。 +系统复位中断标志B9+4A，B9+4A2*系统复位。!"# 计数器计数值C*、C#，为$<?位当前计数值输出 端。