msp_motion.vhd

   1 library ieee;
   2 use ieee.std_logic_1164.all;
   3 use ieee.std_logic_arith.all;
   4 use ieee.std_logic_unsigned.all;
   5
   6 library unisim;
   7 use unisim.vcomponents.all;
   8
   9 --------------------------------------------------------------------------------
  10
  11 entity msp_motion is
  12   port (
  13     -- Clock & reset
  14     CLK_24MHz : in  std_logic;
  15     RESET     : in  std_logic;
  16     -- RS232
  17     RXD       : in  std_logic;
  18     TXD       : out std_logic;
  19     -- LED
  20     LED0      : out std_logic;
  21     LED1      : out std_logic;
  22     LED2      : out std_logic;
  23     -- PWM
  24     PWM0      : out std_logic;
  25     PWM0_EN   : out std_logic;
  26     PWM1      : out std_logic;
  27     PWM1_EN   : out std_logic;
  28     PWM2      : out std_logic;
  29     PWM2_EN   : out std_logic;
  30     -- IRC
  31     IRC_INDEX : in  std_logic;
  32     IRC_A     : in  std_logic;
  33     IRC_B     : in  std_logic;
  34     -- HALL
  35     HAL0      : in  std_logic;
  36     HAL1      : in  std_logic;
  37     HAL2      : in  std_logic);
  38 end msp_motion;
  39
  40 --------------------------------------------------------------------------------
  41
  42 architecture rtl of msp_motion is
  43
  44   signal reset_p : std_logic;
  45
  46   ------------------------------------------------------------------------------
  47   -- OpenMSP430 softcore MCU module
  48   ------------------------------------------------------------------------------
  49   signal mclk      : std_logic;
  50   signal puc       : std_logic;
  51   -- External data bus
  52   signal dmem_addr : std_logic_vector (11 downto 0);
  53   signal dmem_ce   : std_logic;
  54   signal dmem_we   : std_logic;
  55   signal dmem_din  : std_logic_vector (15 downto 0);
  56   signal dmem_dout : std_logic_vector (15 downto 0);
  57   -- Peripheral bus
  58   signal per_din   : std_logic_vector (15 downto 0);
  59   signal per_dout  : std_logic_Vector (15 downto 0);
  60   signal per_wen   : std_logic_vector (1 downto 0);
  61   signal per_wen16 : std_logic;
  62   signal per_en    : std_logic;
  63   signal per_addr  : std_logic_vector (7 downto 0);
  64   -- Interrupt
  65   --signal irq       : std_logic_vector (13 downto 0) := (others => '0');
  66   signal irq       : std_logic_vector (13 downto 0);
  67   signal irq_acc   : std_logic_vector (13 downto 0);
  68
  69   ------------------------------------------------------------------------------
  70   -- MCU peripherals
  71   ------------------------------------------------------------------------------
  72   -- GPIO
  73   signal GPIO_IN    : std_logic_vector (15 downto 0);
  74   signal GPIO_OUT   : std_logic_vector (15 downto 0);
  75   signal GPIO_DAT_O : std_logic_vector (15 downto 0);
  76   signal GPIO_SEL   : std_logic;
  77   -- Qcounter MCU interface
  78   signal QCNT_DAT_O : std_logic_vector (15 downto 0);
  79   signal QCNT_SEL   : std_logic;
  80   -- Motor feedback IRQ generator
  81   signal MOTOR_IRQ  : std_logic;
  82
  83   ------------------------------------------------------------------------------
  84   -- Dual-port shared memory
  85   ------------------------------------------------------------------------------
  86   -- These signals of A-port (MCU) enables creation of external data encoder and
  87   -- multiplexer in a case of multiple devices connected to the external data
  88   -- bus. Otherwise useless.
  89   signal DPA_DAT_O   : std_logic_vector (15 downto 0);
  90   signal DPA_SEL     : std_logic;
  91   signal DPA_STB     : std_logic;
  92   -- Auxiliary register used to generate IRF_ACK
  93   signal IRF_ACK_REG : std_logic := '0';
  94   -- Auxiliary signal used to form B-port address
  95   signal DPB_ADR     : std_logic_vector (9 downto 0);
  96
  97   ------------------------------------------------------------------------------
  98   -- Motion Control Chain
  99   ------------------------------------------------------------------------------
 100   -- Constants
 101   constant PWM_W     : integer := 10;
 102   constant LUT_ADR_W : integer := 11;
 103   constant LUT_INIT  : string  := "sin1000.lut";
 104
 105   -- Bus interface to the shared memory
 106   signal IRF_ACK   : std_logic;
 107   signal IRF_ADR   : std_logic_vector (4 downto 0);
 108   signal IRF_DAT_I : std_logic_vector (15 downto 0);
 109   signal IRF_DAT_O : std_logic_vector (15 downto 0);
 110   signal IRF_STB   : std_logic;
 111   signal IRF_WE    : std_logic;
 112   -- Wave look-up table
 113   signal LUT_ADR   : std_logic_vector (LUT_ADR_W-1 downto 0);
 114   signal LUT_DAT_O : std_logic_vector (PWM_W-1 downto 0);
 115   signal LUT_STB   : std_logic;
 116   -- MCC execution control
 117   signal MCC_ACK   : std_logic;
 118   signal MCC_STB   : std_logic;
 119
 120   ------------------------------------------------------------------------------
 121   -- PWM and IRC
 122   ------------------------------------------------------------------------------
 123   signal PWM_CNT  : std_logic_vector (PWM_W-1 downto 0);
 124   signal PWM_OW   : std_logic;          -- PWM counter overflow
 125   -- PWM interface to the MCC
 126   signal PWM_DAT  : std_logic_vector (PWM_W-1 downto 0);
 127   signal PWM1_STB : std_logic;
 128   signal PWM2_STB : std_logic;
 129   signal PWM3_STB : std_logic;
 130   -- PWM outputs
 131   signal PWM1_OUT : std_logic;
 132   signal PWM2_OUT : std_logic;
 133   signal PWM3_OUT : std_logic;
 134   -- IRC value
 135   signal QCNT     : std_logic_vector (31 downto 0);
 136
 137 --------------------------------------------------------------------------------
 138
 139 begin
 140
 141   ------------------------------------------------------------------------------
 142   -- OpenMSP430 softcore MCU module
 143   ------------------------------------------------------------------------------
 144   openMSP430_1 : entity work.openMSP430_8_32_mul_dbus
 145     port map (
 146       dco_clk                  => CLK_24MHz,
 147       lfxt_clk                 => '0',
 148       reset_n                  => '1',
 149       rxd                      => RXD,
 150       txd                      => TXD,
 151       per_addr                 => per_addr,
 152       per_din                  => per_din,
 153       per_dout                 => per_dout,
 154       per_wen                  => per_wen,
 155       per_en                   => per_en,
 156       nmi                      => '0',
 157       irq                      => irq,
 158       irq_acc                  => irq_acc,
 159       aclk_en                  => open,
 160       smclk_en                 => open,
 161       mclk                     => mclk,
 162       puc                      => open,
 163       dmem_addr                => dmem_addr,
 164       dmem_ce                  => dmem_ce,
 165       dmem_we                  => dmem_we,
 166       dmem_din                 => dmem_din,
 167       dmem_dout                => dmem_dout);
 168
 169   puc     <= '0';
 170   reset_p <= not RESET;
 171
 172   STARTUP_VIRTEX2_inst : STARTUP_VIRTEX2
 173     port map (
 174       CLK => open,
 175       -- Clock input for start-up sequence
 176       GSR => reset_p, -- Global Set/Reset input (GSR cannot be used for the port name)
 177       GTS => open); -- Global 3-state input (GTS cannot be used for the port name)
 178
 179
 180   -- External data bus address decoder and data multiplexer.
 181   ------------------------------------------------------------------------------
 182   -- When connection more memories, be aware that 'dmem_dout' can vary only when
 183   -- reading cycle is performed. I.e. mux variable must be registered.
 184   dmem_dout <= DPA_DAT_O;
 185
 186   DPA_SEL <= '1' when dmem_addr (11 downto 10) = "00" else '0';
 187   DPA_STB <= dmem_ce and DPA_SEL;
 188
 189   -- Peripheral bus address decoder and data multiplexer.
 190   ------------------------------------------------------------------------------
 191   per_dout <= GPIO_DAT_O when GPIO_SEL = '1' else
 192               QCNT_DAT_O when QCNT_SEL = '1' else
 193               (others => '0');          -- MUST be 0 when nothing is addressed
 194
 195   GPIO_SEL <= '1' when per_addr(7 downto 2) = 16#0140#/2/4 else '0';
 196   QCNT_SEL <= '1' when per_addr(7 downto 1) = 16#0148#/2/2 else '0';
 197
 198   -- Interrupt signals
 199   ------------------------------------------------------------------------------
 200   irq (13 downto 1) <= (others => '0');
 201
 202   motor_irq_ff : process (mclk, puc) is
 203   begin
 204     if rising_edge (mclk) then
 205       if puc = '1' or irq_acc (0) = '1' then
 206         irq (0) <= '0';
 207       elsif MOTOR_IRQ = '1' then
 208         irq (0) <= '1';
 209       end if;
 210     end if;
 211   end process;
 212
 213
 214   ------------------------------------------------------------------------------
 215   -- MCU peripherals
 216   ------------------------------------------------------------------------------
 217   GPIO_IN(0) <= HAL0;
 218   GPIO_IN(1) <= HAL1;
 219   GPIO_IN(2) <= HAL2;
 220   GPIO_IN(3) <= IRC_INDEX;
 221
 222   gpio_0 : entity work.gpio
 223     generic map (
 224       W => 16)
 225     port map (
 226       ACK_O  => open,
 227       ADR_I  => per_addr (1 downto 0),
 228       CLK_I  => mclk,
 229       DAT_I  => per_din,
 230       DAT_O  => GPIO_DAT_O,
 231       RST_I  => puc,
 232       SEL_I  => GPIO_SEL,
 233       STB_I  => per_en,
 234       WE_I   => per_wen16,
 235       GPIO_I => GPIO_IN,
 236       GPIO_O => GPIO_OUT);
 237
 238   qcounter_mcu16_0 : entity work.qcounter_mcu16
 239     port map (
 240       ACK_O  => open,
 241       ADR_I  => per_addr (0),
 242       CLK_I  => mclk,
 243       DAT_O  => QCNT_DAT_O,
 244       SEL_I  => QCNT_SEL,
 245       STB_I  => per_en,
 246       QCOUNT => QCNT);
 247
 248   -- Motor feedback IRQ generator
 249   -- f_motor_irq approx. 1 kHz
 250   mcc_irq_counter_1 : entity work.counter
 251     generic map (
 252       WIDTH => 5,
 253       MAX   => 22)
 254     port map (
 255       clk      => mclk,
 256       clk_en   => PWM_OW,
 257       reset    => puc,
 258       count    => open,
 259       event_ow => MOTOR_IRQ);
 260
 261
 262   ------------------------------------------------------------------------------
 263   -- Dual-port shared memory
 264   ------------------------------------------------------------------------------
 265   -- Shared memory between MCU and MCC (size: 16+2 bits x 1k).
 266   -- Port A (MCU side) has a priority of writing.
 267   shared_mem : RAMB16_S18_S18
 268     generic map (
 269       WRITE_MODE_A => "READ_FIRST",
 270       WRITE_MODE_B => "WRITE_FIRST")
 271     port map (
 272       -- A-Port (MCU)
 273       ADDRA => dmem_addr (9 downto 0),
 274       CLKA  => mclk,
 275       DIA   => dmem_din,
 276       DIPA  => "00",
 277       DOA   => DPA_DAT_O,
 278       DOPA  => open,
 279       ENA   => DPA_STB,
 280       SSRA  => '0',
 281       WEA   => dmem_we,
 282       -- B-Port (MCC)
 283       ADDRB => DPB_ADR,
 284       CLKB  => mclk,
 285       DIB   => IRF_DAT_I,
 286       DIPB  => "00",
 287       DOB   => IRF_DAT_O,
 288       DOPB  => open,
 289       ENB   => IRF_STB,
 290       SSRB  => '0',
 291       WEB   => IRF_WE);
 292
 293   -- B-Port address (10 bits) constructed from IRF_ADR (5 bits). Upper addr bits
 294   -- are forced to '0', but in a case of several axes these can be used to
 295   -- address memory space of the appropriate one.
 296   DPB_ADR (9 downto 5) <= (others => '0');
 297   DPB_ADR (4 downto 0) <= IRF_ADR;
 298
 299   -- Generation of IRF acknowledge signal for MCC.
 300   IRF_ACK <= IRF_STB and (IRF_WE or IRF_ACK_REG);
 301
 302   -- IRF_ACK_REG signalizes that data is present on IRF_DAT_O when reading.
 303   irf_read : process (mclk, puc) is
 304   begin
 305     if rising_edge(mclk) then
 306       if puc = '1' then
 307         IRF_ACK_REG <= '0';
 308       else
 309         IRF_ACK_REG <= IRF_STB  and not IRF_WE;
 310       end if;
 311     end if;
 312   end process;
 313
 314
 315   ------------------------------------------------------------------------------
 316   -- Motion Control Chain
 317   ------------------------------------------------------------------------------
 318   mcc_exec_1 : entity work.mcc_exec
 319     port map (
 320       CLK_I      => mclk,
 321       RST_I      => puc,
 322       MCC_EN_I   => '1',
 323       MCC_EXEC_I => PWM_OW,
 324       MCC_ERR_O  => open,
 325       MCC_ACK_I  => MCC_ACK,
 326       MCC_STB_O  => MCC_STB);
 327
 328   mcc_1 : entity work.mcc
 329     generic map (
 330       LUT_DAT_W => PWM_W,
 331       LUT_ADR_W => LUT_ADR_W)
 332     port map (
 333       ACK_O      => MCC_ACK,
 334       CLK_I      => mclk,
 335       RST_I      => puc,
 336       STB_I      => MCC_STB,
 337       LUT_STB_O  => LUT_STB,
 338       LUT_ADR_O  => LUT_ADR,
 339       LUT_DAT_I  => LUT_DAT_O,
 340       IRC_DAT_I  => QCNT (15 downto 0),
 341       PWM_DAT_O  => PWM_DAT,
 342       PWM1_STB_O => PWM1_STB,
 343       PWM2_STB_O => PWM2_STB,
 344       PWM3_STB_O => PWM3_STB,
 345       IRF_ACK_I  => IRF_ACK,
 346       IRF_ADR_O  => IRF_ADR,
 347       IRF_DAT_I  => IRF_DAT_O,
 348       IRF_DAT_O  => IRF_DAT_I,
 349       IRF_STB_O  => IRF_STB,
 350       IRF_WE_O   => IRF_WE);
 351
 352   wave_table_1 : entity work.wave_table
 353     generic map (
 354       DAT_W     => PWM_W,
 355       ADR_W     => LUT_ADR_W,
 356       INIT_FILE => LUT_INIT)
 357     port map (
 358       ACK_O => open,
 359       ADR_I => LUT_ADR,
 360       CLK_I => mclk,
 361       DAT_I => conv_std_logic_vector(0, PWM_W),
 362       DAT_O => LUT_DAT_O,
 363       STB_I => LUT_STB,
 364       WE_I  => '0');
 365
 366
 367   ------------------------------------------------------------------------------
 368   -- PWM and IRC
 369   ------------------------------------------------------------------------------
 370   -- PWM counter is shared by all PWM generators. Generator contains only
 371   -- comparator and desired value.
 372   counter_1 : entity work.counter
 373     generic map (
 374       WIDTH => PWM_W,
 375       MAX   => 2**PWM_W - 2)
 376     port map (
 377       clk      => mclk,
 378       clk_en   => '1',
 379       reset    => puc,
 380       count    => PWM_CNT,
 381       event_ow => PWM_OW);
 382
 383     pwm_1 : entity work.pwm
 384     generic map (
 385       PWM_WIDTH => PWM_W)
 386     port map (
 387       clk     => mclk,
 388       reset   => puc,
 389       din     => PWM_DAT,
 390       we      => PWM1_STB,
 391       pwm_cnt => PWM_CNT,
 392       pwm_cyc => PWM_OW,
 393       pwm     => PWM1_OUT);
 394
 395   pwm_2 : entity work.pwm
 396     generic map (
 397       PWM_WIDTH => PWM_W)
 398     port map (
 399       clk     => mclk,
 400       reset   => puc,
 401       din     => PWM_DAT,
 402       we      => PWM2_STB,
 403       pwm_cnt => PWM_CNT,
 404       pwm_cyc => PWM_OW,
 405       pwm     => PWM2_OUT);
 406
 407   pwm_3 : entity work.pwm
 408     generic map (
 409       PWM_WIDTH => PWM_W)
 410     port map (
 411       clk     => mclk,
 412       reset   => puc,
 413       din     => PWM_DAT,
 414       we      => PWM3_STB,
 415       pwm_cnt => PWM_CNT,
 416       pwm_cyc => PWM_OW,
 417       pwm     => PWM3_OUT);
 418
 419   -- PWM signals mapped to FPGA outputs, EN forced to '1'
 420   PWM0    <= PWM1_OUT;
 421   PWM0_EN <= '1';
 422   PWM1    <= PWM2_OUT;
 423   PWM1_EN <= '1';
 424   PWM2    <= PWM3_OUT;
 425   PWM2_EN <= '1';
 426   -- PWM is signalized on LEDs
 427   LED0    <= PWM1_OUT;
 428   LED1    <= PWM2_OUT;
 429   LED2    <= PWM3_OUT;
 430
 431   qcounter_1 : entity work.qcounter
 432     port map (
 433       clock    => mclk,
 434       reset    => puc,
 435       a0       => IRC_A,
 436       b0       => IRC_B,
 437       qcount   => QCNT,
 438       a_rise   => open,
 439       a_fall   => open,
 440       b_rise   => open,
 441       b_fall   => open,
 442       ab_event => open,
 443       ab_error => open);
 444
 445
 446 end rtl;
 447