随着微电子技术的快速发展，各种功能强大、性能稳定可靠的新型多功能器件和一些先进的控制理论不断出现，使得控制领域发生了很大的变化。但目前我国相当一部分高职院校的实训设施落后，这在某种程度上限制了对新型技术人才的培养和新技术的发展。如当前直流调速装置已发展到一个全数字化的高技术水平阶段，控制策略已相当成熟，新产品很多，但模拟直流调速系统仍是实训环节直流调速方面的主流设备。为此笔者对其进行了CPLD + CAN总线改造，采用CPLD 进行编程，实现移相编码和电机功率输出， CAN总线进行数据通讯，使各节点独立工作又集中管理，实现集散控制。节点电机调速方案中，微控制器选用8位高性能微转换器ADμC812，逻辑与伺服控制采用全数字化方式，晶闸管主电路触发器选用ALTERA公司的 EPM7256S CPLD来完成。
1 系统硬件设计
　　系统组成如图1 所示，系统的控制台由PC机和CAN总线适配卡等组成；CAN节点主要由单片机、CAN控制器和CAN收发器" title="收发器">收发器组成。

　　本设计实现的直流调速控制系统是全数字化的。从图1可以看出，单片机无需过问触发脉冲的产生,从而节省了单片机的资源。单片机运算获得移相角α后，待一个电周期上升沿中断到来，只需将α角以数字量的形式通过数据总线传送至CPLD，六路触发脉冲的产生由CPLD来完成。而电周期上升沿中断由CPLD实现。尽管与“单片机＋模拟式专用移相触发电路”模式相类似，但与其根本区别是：CPLD实现的移相触发电路是全数字化的，且可编程，可复用。
1.1 信号采集电路
　　系统节点需要采样的信号有转速、电流和电压。电流、电压信号使用接至晶闸管整流电路交流侧的电量隔离变送器测量；转速通过与被测电机轴连接的光电脉冲发生器测量，再由转速变送器转化。变送器输出的工业标准信号1~5V，经调理电路变为0～2.5V的模拟电压信号，送至ADμC812的ADC采集子系统部分。
1.2 CPLD接口电路" title="接口电路">接口电路与晶闸管移相触发IP核
　　复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)，具有体积小、集成度高、速度快、成本低、设计方便、可反复编程及现场模拟调试等优点，在自控领域应用很广。现今，SoC(System on a Chip)发展迅速，随之而来的是芯片功能越来越强，规模越来越大，导致开发周期增长，成本变高。这样基于面向对象设计模式的IP核(Intellectual Property Core)复用技术便随之产生，它已成为数字系统设计工程师普遍采用的系统设计方法之一，具有通用性、正确性和可移植性。因此在晶闸管移相触发中，笔者设计了移相触发IP核。
　　CPLD功能强大，实现逻辑电路非常容易，所以将系统的其他逻辑门电路在CPLD内部实现，如图2所示。由于数据总线复用，所以采用138译码进行片选。74LS138的A、B、C分别接至P25、P26、P27，其输出分别对CAN控制器、键盘接口扩展芯片74LS245、1602液晶、CPLD数据口进行片选，对应的地址为0000H，2000H，4000H，6000H。1602液晶有3个控制端，分别为4口RS、5口R/W、6口片选端使能。1602LCD接口电路如图3，P20接至RS，P21接至R/W，对应的地址为：写命令4000H，写数据4100H，读状态4200H。

1.3 CAN接口电路
　　本系统的上位机采用一台PC机，给机内插上CAN总线适配卡，配以相应软件作为系统的控制台。控制台以CAN通信协议向各个CAN节点发送控制数据，并接收各个CAN节点发回的检测数据，实现设备的监控。
　　为了实现各调速系统与控制网络的连接，设计了CAN总线接口。CAN通信控制器采用Philips公司的SJA1000，它是一款独立的控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络(CAN)，是PCA82C200 CAN控制器的替代产品，增加了一种新的工作模式(PeliCAN),这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。CAN收发器采用高速收发器TJA1050。TJA1050可以为总线提供差动发送功能，为CAN控制器提供差动接收功能， 是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收发器的后继产品，主要区别在于：①输出信号CANH和CANL的最佳匹配，使电磁辐射更低；②节点未供电时，性能有所改进；③无待机模式，这使得TJA1050特别适合于在部分供电网络中节点掉电的情况下使用。
　　为进一步提高系统的抗干扰能力和安全性，可在CAN通信控制器SJA1000和收发器TJA1050之间加接光电隔离芯片6N137等；在收发器TJA1050与CAN总线之间串入2个5~10Ω的小直流电阻R19、R20，起到一定的限流抗冲击作用，并联电容C3、C4起到滤除总线上的高频干扰及一定的防电磁辐射作用。另外由于通信信号传输到导线的端点时会发生反射，干扰正常信号的传输，因此总线两端可接终端电阻以消除反射信号，电阻阻值应当与传输电缆的特性阻抗大致相当。

　　接口电路如图4所示，SJA1000 的AD0～AD7连接到ADμC812的P00～P07口,CS 连接到74LS138的对应引脚上。SJA1000 的RD、WR、ALE分别与ADμC812的对应引脚相连，INT接ADμC812的中断0。SJA1000的TX0、RX0和收发器TJA1050连接。TJA1050的CANH、CANL通过5Ω电阻后与CAN总线连接。
1.4 ADμC812和在线编程接口
　　ADμC812是集成12位ADC的8052单片机。片内有8KB程序存储器、640B非易失性数据存储器和256B的片内数据静态存储器。另外包括看门狗定时器、电源监视器、温度监测和DAC功能，为多处理器连接和I/O" title="I/O">I/O 扩展提供了32 条可编程的I/O 线、I²C兼容的SPI 和标准UART串行口I/O等。不仅如此，ADμC812具有在线下载(ISP)的功能，因而不需要任何硬件仿真器就可以对ADμC812进行开发。这也是选择ADμC812作为控制核心的原因之一。
　　ADμC812具有在线编程的功能。通过标准的UART串行接口便可以实现用户代码的下载。但必须将PSEN引脚通过外部电阻拉至低电平，此时，上电复位或手动复位后，ADμC812就可以进入编程模式，用户可以使用AD公司的WSD.exe软件进行用户代码的下载。
2 系统软件设计
　　本系统的软件包括单片机程序和CPLD程序两部分。单片机程序包括初始化、数字滤波、PID运算、LCD显示、CAN发送等子程序。定时器中断包括系统1ms定时中断、转速测量中断，外中断包括CPLD取α角中断、CAN接收中断。

　　主程序流程如图5所示，初始化包括单片机寄存器、LCD、SJA1000、CPLD的初始化。进入监控程序后，首先进行采样信号滑动平均值滤波计算，将结果送至PID运算，获得的α角送至缓冲区，等待CPLD取α角中断，然后将电机运行参数显示，并通过CAN总线向上位机发送。
　　CAN控制器SJA1000通过单片机外部中断" title="外部中断">外部中断0获得单片机的实时访问。SJA1000的数据溢出中断、错误中断、接收中断都将引发单片机的外部中断。在单片机的外部中断子程序中首先读出SJA1000的中断寄存器IR以判断是哪种中断，进而执行相应的程序，流程图如图6。

　　同步信号到来时，CPLD移相触发器中断单片机，单片机将缓冲区中的α角通过数据总线送至CPLD移相触发器。
　　定时器T2设定1ms作为系统定时。键盘以定时查询方式进行扫描，每个系统定时周期扫描一次键盘，如20次扫描结果相同则保存键值，有效地防止了键盘抖动。键盘释义程序完成查询电机参数，修改PID参数等工作。每两个系统定时周期启动AD转换，采样周期2ms，在AD转换完成中断子程序过程中进行采样数据保存，供数字滤波程序使用。转速脉冲测量将系统定时器T2和计数器T0结合使用，并在定时时间满后计算转速。定时器T1用作串口波特率发生器。
　　CPLD程序使用原理图的方法输入，在Quartus II 中编译。首先设计了移相触发IP核。通过分析三相全控整流电路得知，每个周期内，出现6次换流，同步点距第一组双脉冲发出点为α电角度，后5次换流间隔60°，双窄脉冲宽度15°。设计两个计数器，计数器1计数α角，计数器2比较产生脉冲，如图7所示。