隨著微電子技術的快速發展，各種功能強大、性能穩定可靠的新型多功能器件和一些先進的控制理論不斷出現，使得控制領域發生了很大的變化。但目前我國相當一部分高職院校的實訓設施落后，這在某種程度上限制了對新型技術人才的培養和新技術的發展。如當前直流調速裝置已發展到一個全數字化的高技術水平階段，控制策略已相當成熟，新產品很多，但模擬直流調速系統仍是實訓環節直流調速方面的主流設備。為此筆者對其進行了CPLD + CAN總線改造，采用CPLD 進行編程，實現移相編碼和電機功率輸出， CAN總線進行數據通訊，使各節點獨立工作又集中管理，實現集散控制。節點電機調速方案中，微控制器選用8位高性能微轉換器ADμC812，邏輯與伺服控制采用全數字化方式，晶閘管主電路觸發器選用ALTERA公司的 EPM7256S CPLD來完成。
1 系統硬件設計
　　系統組成如圖1 所示，系統的控制臺由PC機和CAN總線適配卡等組成；CAN節點主要由單片機、CAN控制器和CAN收發器" title="收發器">收發器組成。

　　本設計實現的直流調速控制系統是全數字化的。從圖1可以看出，單片機無需過問觸發脈沖的產生,從而節省了單片機的資源。單片機運算獲得移相角α后，待一個電周期上升沿中斷到來，只需將α角以數字量的形式通過數據總線傳送至CPLD，六路觸發脈沖的產生由CPLD來完成。而電周期上升沿中斷由CPLD實現。盡管與“單片機＋模擬式專用移相觸發電路”模式相類似，但與其根本區別是：CPLD實現的移相觸發電路是全數字化的，且可編程，可復用。
1.1 信號采集電路
　　系統節點需要采樣的信號有轉速、電流和電壓。電流、電壓信號使用接至晶閘管整流電路交流側的電量隔離變送器測量；轉速通過與被測電機軸連接的光電脈沖發生器測量，再由轉速變送器轉化。變送器輸出的工業標準信號1~5V，經調理電路變為0～2.5V的模擬電壓信號，送至ADμC812的ADC采集子系統部分。
1.2 CPLD接口電路" title="接口電路">接口電路與晶閘管移相觸發IP核
　　復雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)，具有體積小、集成度高、速度快、成本低、設計方便、可反復編程及現場模擬調試等優點，在自控領域應用很廣。現今，SoC(System on a Chip)發展迅速，隨之而來的是芯片功能越來越強，規模越來越大，導致開發周期增長，成本變高。這樣基于面向對象設計模式的IP核(Intellectual Property Core)復用技術便隨之產生，它已成為數字系統設計工程師普遍采用的系統設計方法之一，具有通用性、正確性和可移植性。因此在晶閘管移相觸發中，筆者設計了移相觸發IP核。
　　CPLD功能強大，實現邏輯電路非常容易，所以將系統的其他邏輯門電路在CPLD內部實現，如圖2所示。由于數據總線復用，所以采用138譯碼進行片選。74LS138的A、B、C分別接至P25、P26、P27，其輸出分別對CAN控制器、鍵盤接口擴展芯片74LS245、1602液晶、CPLD數據口進行片選，對應的地址為0000H，2000H，4000H，6000H。1602液晶有3個控制端，分別為4口RS、5口R/W、6口片選端使能。1602LCD接口電路如圖3，P20接至RS，P21接至R/W，對應的地址為：寫命令4000H，寫數據4100H，讀狀態4200H。

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1.3 CAN接口電路
　　本系統的上位機采用一臺PC機，給機內插上CAN總線適配卡，配以相應軟件作為系統的控制臺。控制臺以CAN通信協議向各個CAN節點發送控制數據，并接收各個CAN節點發回的檢測數據，實現設備的監控。
　　為了實現各調速系統與控制網絡的連接，設計了CAN總線接口。CAN通信控制器采用Philips公司的SJA1000，它是一款獨立的控制器，用于汽車和一般工業環境中的控制器局域網絡(CAN)，是PCA82C200 CAN控制器的替代產品，增加了一種新的工作模式(PeliCAN),這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協議。CAN收發器采用高速收發器TJA1050。TJA1050可以為總線提供差動發送功能，為CAN控制器提供差動接收功能， 是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收發器的后繼產品，主要區別在于：①輸出信號CANH和CANL的最佳匹配，使電磁輻射更低；②節點未供電時，性能有所改進；③無待機模式，這使得TJA1050特別適合于在部分供電網絡中節點掉電的情況下使用。
　　為進一步提高系統的抗干擾能力和安全性，可在CAN通信控制器SJA1000和收發器TJA1050之間加接光電隔離芯片6N137等；在收發器TJA1050與CAN總線之間串入2個5~10Ω的小直流電阻R19、R20，起到一定的限流抗沖擊作用，并聯電容C3、C4起到濾除總線上的高頻干擾及一定的防電磁輻射作用。另外由于通信信號傳輸到導線的端點時會發生反射，干擾正常信號的傳輸，因此總線兩端可接終端電阻以消除反射信號，電阻阻值應當與傳輸電纜的特性阻抗大致相當。

　　接口電路如圖4所示，SJA1000 的AD0～AD7連接到ADμC812的P00～P07口,CS 連接到74LS138的對應引腳上。SJA1000 的RD、WR、ALE分別與ADμC812的對應引腳相連，INT接ADμC812的中斷0。SJA1000的TX0、RX0和收發器TJA1050連接。TJA1050的CANH、CANL通過5Ω電阻后與CAN總線連接。
1.4 ADμC812和在線編程接口
　　ADμC812是集成12位ADC的8052單片機。片內有8KB程序存儲器、640B非易失性數據存儲器和256B的片內數據靜態存儲器。另外包括看門狗定時器、電源監視器、溫度監測和DAC功能，為多處理器連接和I/O" title="I/O">I/O 擴展提供了32 條可編程的I/O 線、I²C兼容的SPI 和標準UART串行口I/O等。不僅如此，ADμC812具有在線下載(ISP)的功能，因而不需要任何硬件仿真器就可以對ADμC812進行開發。這也是選擇ADμC812作為控制核心的原因之一。
　　ADμC812具有在線編程的功能。通過標準的UART串行接口便可以實現用戶代碼的下載。但必須將PSEN引腳通過外部電阻拉至低電平，此時，上電復位或手動復位后，ADμC812就可以進入編程模式，用戶可以使用AD公司的WSD.exe軟件進行用戶代碼的下載。
2 系統軟件設計
　　本系統的軟件包括單片機程序和CPLD程序兩部分。單片機程序包括初始化、數字濾波、PID運算、LCD顯示、CAN發送等子程序。定時器中斷包括系統1ms定時中斷、轉速測量中斷，外中斷包括CPLD取α角中斷、CAN接收中斷。

　　主程序流程如圖5所示，初始化包括單片機寄存器、LCD、SJA1000、CPLD的初始化。進入監控程序后，首先進行采樣信號滑動平均值濾波計算，將結果送至PID運算，獲得的α角送至緩沖區，等待CPLD取α角中斷，然后將電機運行參數顯示，并通過CAN總線向上位機發送。
　　CAN控制器SJA1000通過單片機外部中斷" title="外部中斷">外部中斷0獲得單片機的實時訪問。SJA1000的數據溢出中斷、錯誤中斷、接收中斷都將引發單片機的外部中斷。在單片機的外部中斷子程序中首先讀出SJA1000的中斷寄存器IR以判斷是哪種中斷，進而執行相應的程序，流程圖如圖6。

　　同步信號到來時，CPLD移相觸發器中斷單片機，單片機將緩沖區中的α角通過數據總線送至CPLD移相觸發器。
　　定時器T2設定1ms作為系統定時。鍵盤以定時查詢方式進行掃描，每個系統定時周期掃描一次鍵盤，如20次掃描結果相同則保存鍵值，有效地防止了鍵盤抖動。鍵盤釋義程序完成查詢電機參數，修改PID參數等工作。每兩個系統定時周期啟動AD轉換，采樣周期2ms，在AD轉換完成中斷子程序過程中進行采樣數據保存，供數字濾波程序使用。轉速脈沖測量將系統定時器T2和計數器T0結合使用，并在定時時間滿后計算轉速。定時器T1用作串口波特率發生器。
　　CPLD程序使用原理圖的方法輸入，在Quartus II 中編譯。首先設計了移相觸發IP核。通過分析三相全控整流電路得知，每個周期內，出現6次換流，同步點距第一組雙脈沖發出點為α電角度，后5次換流間隔60°，雙窄脈沖寬度15°。設計兩個計數器，計數器1計數α角，計數器2比較產生脈沖，如圖7所示。