單片機+CPLD結構體系在電子設計中的應用

發(fā)布時(shí)間:2010-7-27 12:46    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: CPLD , 單片機 , 結構體系
自20世紀80年代單片機引入我國以來(lái),學(xué)習和應用單片機的熱潮始終不減,特別是MCS51系列。這是由單片機的特點(diǎn)決定的。實(shí)際上,從單片機/CPLD應用通用數字集成電路系統,到廣泛應用單片機,是我國電子設計在智能化應用水平上質(zhì)的飛躍。據統計分析,單片機的銷(xiāo)量單片機/CPLD到目前為止依然逐年遞增,而且在很長(cháng)一段的時(shí)間內,單片機依然會(huì )是電子設計的主角(雖然這一地址已經(jīng)受到了CPLD的挑戰)。

1 純單片機系統優(yōu)缺點(diǎn)  

①大量單片機/CPLD的外圍芯片和接口電路使得單片機應用系統的設計變得簡(jiǎn)單而且快捷,新型單片機的上市和高級語(yǔ)言的支持(如C51)進(jìn)一步延長(cháng)了單片機的壽命。  
②長(cháng)期穩定的發(fā)展和使單片機性?xún)r(jià)比非常高,而且單片機/CPLD積累了大量的資料并擁有了大量的工程技術(shù)為員。這一點(diǎn)是CPLD目前難以達到的。  

但是,單片機的缺點(diǎn)也有目共睹:  

①低速。即使是高速度單片機也只能工作在μs級,這是由單片機串行工作的特點(diǎn)所決定的。  
②低可靠性。雖然單片機/CPLD目前有很多器件與設計在一定程序上解決了部分問(wèn)題,如看門(mén)狗的廣泛應用,但在某些情況下瞬間的復位也會(huì )造成嚴重后果。  

2 純CPLD設計的優(yōu)缺點(diǎn)  

即使單純單片機/CPLD的單片機結構能完成的功能,在某些情況下也寧可使用純數字電路完成。而當前開(kāi)始流行的CPLD,則不但克服了單片機的缺點(diǎn),而且由于可采用VHDL語(yǔ)言編程,進(jìn)一步單片機/CPLD打破了軟硬件工程師的界限,加速了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程,使純數字電路的設計變得簡(jiǎn)單。人們甚至在討論用C作為下一代硬件描述語(yǔ)言。  

難怪有專(zhuān)家指出,電子設計的單片機時(shí)代即將過(guò)去,而以PLD為核心的EDA(電子設計自動(dòng)化)將是單片機/CPLD未來(lái)設計的方向。由于超大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展,單片PLD芯片上已經(jīng)可以集成上百萬(wàn)門(mén),就系統規模而言,將單片機設計在內也沒(méi)什么問(wèn)題。美國的可編程器件廠(chǎng)商已經(jīng)以軟核和硬核嵌入兩種形式(將單片機電路嵌入PLD)為設計人員提供幫助。PLD器件取代單片機是早晚的事。但是,在我國當前的普遍應用中,單純依靠PLD器件還有點(diǎn)早,原因如下:  

①由于歷史單片機/CPLD的原因,我國的電子設計人員大部分應用的是MCS51系列單片機,還沒(méi)聽(tīng)說(shuō)哪家公司提供軟核或硬核集成。而讓這么多人改學(xué)其它系列單片機還需要一段時(shí)間,而且原有的程序更使人不愿改動(dòng)。  

②單片機價(jià)格低廉,而PLD如果增加單片機內核的話(huà),至少在目前形勢下價(jià)格會(huì )比較昂貴。  

所以,由于單片機和PLD的互補性,利用單片機加PLD的結構至少在近期內將一種較好的選擇。下面通過(guò)作者設計的實(shí)例,介紹MCS51+EMP703S結構體系的特點(diǎn)及注意事項。  

3 單片機+CPLD結構體系設計實(shí)例  

本設計用于單片機/CPLD自動(dòng)化控制,設計要求如圖1所示。  



對于一個(gè)熟悉單片機系統設計的工程師而言,上述設計不會(huì )有技術(shù)上的困難,問(wèn)題在于:  

①要用兩個(gè)全雙工串口;  

②要求比較多的輸入輸出口。如果用傳統設計方法,勢必要用比較多的芯片,電路板的設計也較麻煩,一旦設計有誤,必須重新設計整個(gè)電路板,費時(shí)、費力、費錢(qián)。而采用MCS51+EMP7032S設計后,基本上做到了模塊化設計,電路的修改只是編程而已。從開(kāi)始設計到定型所用的時(shí)間,基本上就是制作電路板的時(shí)間。由于設計了輸出信號鎖存,完全避免了單片機程序跑飛和看門(mén)狗復位所引起的輸出的跳變,這時(shí)設備完全至關(guān)重要。圖2是設計原理電路圖。  

  
從設計的原理圖可以看出,主要部分單片機/CPLD只需要兩片集成電路:?jiǎn)纹瑱CAT89C51和CPLD——EPM7032S,并且電路板采用模塊化設計,預留了擴展接口,只需要配上不同的處理模塊,就可以實(shí)現數據采集、鍵盤(pán)掃描、顯示驅動(dòng)和繼電器控制等許多功能。單片機和EPM7032S之間采用了類(lèi)似SPI接口的通信方法。如圖2所示。采用這種方法,既實(shí)現了單片機和CPLD之間的通信,又具有靈活性,并且節約了大量的端口資源。  

EPM7032S有36個(gè)I/O口,除去用于和單片機通信的7個(gè)端口,還有29個(gè)端口可以使用?蓾M(mǎn)足大部分對于端口擴展設計的需求。圖3是為EPM7032編寫(xiě)的測試程序的波形仿真圖。  

  
圖3中:CLK為同步時(shí)鐘;SEND為數據接收;END為SEND信號的控制端;S為位選端,用業(yè)控制串行通信端口選擇;RXD、TDX為單片機和EPM7032之間的串行通信端口;RXD1、TXD1、RXD2、TDX2為串行通信擴展口。這種方案,已經(jīng)過(guò)多次檢驗,對于節省PCB板的面積和布線(xiàn)難度、提高設計可靠性和提高設計效率都非常有幫助。  

單片機程序:
  
sdosend:  
setb clk  
setb end  
mov r7,#06h  
ssend:  
rrc a  
mov send,c  
nop  
nop  
clr clk  
nop  
nop  
setb clk  
djnz r7,ssend  
nop  
nop  
clr end  
nop  
nop  
setb end  
ret  
VHDL 語(yǔ)言程序  
Library ieee;  
Use ieee.std_logic_1164.all;  
Entity pldse1 is  
Port  
(  
so,clk,send :in std_logic  
);  
end pldse1;  
architecture io1 of pldse 1 is  
begin  
process(cs)  
begin  
if(cs='0')then  
casep qout is  
when "000000"=>  
when "000001"=>  
when "000010"=>  
··················  
when "000100"=>  
when "000101"=>  
when others=>null;  
end case;  
else null;  
end if;  
end process;  
process(clk)  
begin  
if(clk'event and clk='0')then  
qoutelse null;  
end if;  
end process;  
end io 1;  

通過(guò)程序單片機/CPLD可以看出,利用CLK和SEND線(xiàn)發(fā)送控制信號;利用END作為結束位,無(wú)論什么情況,如果沒(méi)有結束位的下降沿脈沖,PLD的輸出端口不會(huì )改變,這樣可確保輸出信號的穩定。這種輸出鎖存使單片機在死機復位時(shí)依然不影響繼電器原輸出。PLD在接收到單片機的控制信號后首先暫存,直到收到END的下降沿脈沖時(shí)再把數據輸出,作出相應的置高低電平的動(dòng)作。  

由上述設計可以看出,單片機和PLD在使用上有很強的互補性:在邏輯運算、智能控制方面,單片機具有不可替代的優(yōu)越性;而在高速穩定等方面,PLD無(wú)疑是首選。因此,在目前的電子設計中,充分利用單片機+PLD結構將起到事半功倍的效果。
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