根據數控系統的功能要求，進行上位機與下位機、軟件與硬件的任務分配。上位機CPU軟件部分的主要任務是完成輪廓粗插補運算、升降速控制、加工程序段解釋、用戶界面處理和圖形模擬功能的實現等。硬件部分的主要任務是利用并行接口實現D/A轉換器的控制，以控制主軸模擬量輸出；實現與雙端口RAM的數據通信，以傳送FPGA精插補所需的數據；實現與控制芯片CPLD和FPGA的數據通信；實現與液晶屏LCD的接口；利用通信接口實現與PC機串口的數據通信；利用GPIO口實現對鍵盤掃描芯片的控制。下位機FPGA實現以下功能：a.脈沖發生模塊。FPGA內部的核心模塊，對接收的時鐘信號進行分頻處理，得到控制精插補運算所需的時鐘信號；從雙端口RAM中讀取各軸進給增量；通過精插補DDA積分器將CPU送出的各軸進給增量，轉換為驅動電機運動的進給脈沖信號和進給方向信號。

　　b.手輪和編碼器計數模塊。對4個編碼器返回信號及手輪順時針和逆時針轉動格數實時計數，并輸出計數值供CPU讀取計算。c.I/O控制模塊。CPU通過該模塊可讀取輸入開關的狀態電平，設置輸出開關量電平，從而實現對外部繼電器的閉合或斷開控制。

　　電路設計ACEX是面向低端應用的中等密度、高性價比的FPGA，分為1K10，1K30，1K50和1K100，容量分別為1萬、3萬、5萬和10萬門，雖然容量不同，但是在相同封裝的情況下管腳兼容（個別情況除外）。

　　基于容量和I/O數量的要求，選擇了ALTERA公司ACEX系列的EP1K50QC208，其豐富的邏輯資源和I/O數量可以為數控系統提供大量的脈沖發生、脈沖計數和I/O控制能力，從而簡化系統的硬件電路、降低系統的功耗、提高系統的可靠性。

　　EP1K50QC208是基于SRAM工藝的可編程器件，配置數據放在SRAM中，掉電后將丟失系統原有的邏輯功能，所以系統再次上電必須對SRAM重新加載配置數據。ALTERA公司FPGA的配置方式有：a.下載電纜配置方式。一般用于實際系統開發設計階段，對于已經設計完的應用系統，會帶來很多不便。b.主動配置方式。不需要其它的外圍控制器，由FPGA自身引導整個配置過程，采用專用存儲器放置配置數據。c.被動配置方式。不必采用ALTERA的專用存儲器，使用廉價的通用程序存儲器就可以實現，在一定程度上可以降低成本。

　　為了保護知識產權，在關鍵、核心設備中必須采用加密技術。但以上幾種配置方法在系統加電時，都需要將配置的比特流數據按照一定的時序寫入SRAM工藝的FPGA.因此，采用一定的電路對配置FPGA的數據引腳進行采樣，監視配置的位數據流，可以進行克隆設計。所以在設計中必須要考慮到FPGA的加密問題，以保護知識產權。

　　如果單從FPGA的配置方面考慮，采用EPC系列的專用配置芯片或直接采用微處理器進行配置，可以簡化外圍電路，降低配置成本。但對于數控系統整體，配置只是其中的一部分，要從系統的保密性、I/O數量、電路的簡化度和系統的可靠性等個方面綜合考慮。

　　本系統選用一片具有84引腳PLCC封裝的CPLD芯片EPM7128S完成對FPGA進行被動串行配置。EPM7128S是ALTERA公司MAX7000系列的CPLD芯片，具有編程加密位，在器件編程時激活該加密位，將使固化在EPM7128S芯片內的電路邏輯無法被讀出，從而提高了系統的保密性；除了配置所需要的I/O口外，還有24個I/O可供系統使用；可分擔部分工作量，而無需選擇容量更大的FPGA，從一定程度上降低了成本。CPLD與FP2GA的接口如所示。EPROM需要根據配件的大小來選擇，ACEX1K50的配置文件大小為96kB，因此選用的EPROM型號為M27C1001B.

　　軟件設計在系統初始化時，CPU向CPLD發送一個開啟配置的命令，CPLD接收到該命令后產生一個由高到低的跳變送到nCONFIG引腳，nCONFIG信號抬高后，nSTATUS將隨之變為低電平，CPLD檢測到此變化后就認為FPGA已經做好準備可以開始配置。配置時鐘的**個上升沿與nCONFIG的上升沿之間要求至少有5μs的時間間隔。由于配置數據是與配置時鐘的上升沿同步的，在配置時鐘的上升沿之前應當將1位的配置數據在數據線上準備好，配置數據按低位在先高位在后的順序從數據線上送出。當全部配置數據送出以后，CONF_DONE信號變為高電平，表明配置結束。CPU檢測到CONF_DONE變成高電平后，就結束配置過程，此時DCLK必須用多余的10個周期來初始化該器件。在配置過程中，系統需要進行實時檢測，一旦出現錯誤，nSTATUS將被拉低，CPLD檢測到該信號后，將nCONFIG信號拉低，重新啟動配置過程。配置時序如所示。

　　試驗結果驗證FPGA中用VHDL語言編寫的程序，經MAX+PLUSⅡ編譯生成配置文件（。sof），并通過格式轉換為（。rbf）格式，存儲到存儲器M27C1001B中。系統測試中，上電運行后，通過CPLD將配置數據加載到FPGA中，同時CPLD監視FPGA的配置狀態指示信號，將配置狀態返回到CPU控制端，從而成功實現了FPGA的配置。FPGA從雙端口RAM中接收精插補所需的數據，在一個插補周期內完成精插補運算；對手輪及編碼器返回的脈沖信號計數。

　　同時，通過CPLD和FPGA實現了外部開關量的控制。*后經過軟硬件聯調，本系統實現了四軸直線插補及任意兩軸的圓弧插補，且進給速度均勻連續、插補穩定，并具有升降速功能；可實現刀具的半徑補償；系統與計算機具有RS232通信功能；系統人機界面友好，操作菜單中文顯示，易于操作使用。

　　結語雖然單從FPGA的配置方面來看，采用CPLD對FPGA進行配置，比采用EPC專用配置芯片或采用微處理器直接配置的成本高。但從數控系統總體設計上來講，利用CPLD對SRAM工藝的FPGA進行加密，克服了采用專用配置芯片配置保密性差的缺陷，同時增加了數控系統通用I/O口的數量，成本與采用微處理器直接配置的成本相當，而該系統更具保密性與安全性，且簡化外圍電路，提高系統的集成度和可靠性。