利用CPLD來(lái)替代微控制器的6種方法

引言
如果告訴便攜式電子設(shè)計(jì)人員有一種低功耗數(shù)字器件能使他們利用軟件程序來(lái)重新配置硬件工作，他們中的十個(gè)會(huì)有九個(gè)認(rèn)為這是某種微控制器。這是可以理解的。豐富的特性和封裝、大量的軟件開(kāi)發(fā)工具，以及龐大的應(yīng)用代碼庫(kù)，無(wú)處不在的微控制器幾乎能夠用在所有便攜式應(yīng)用中。然而，隨著低功耗CPLD的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員有了新的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)以前由微控制器完成的功能。
本白皮書討論什么時(shí)候適合采用CPLD來(lái)替代微控制器，什么時(shí)候可以采用CPLD作為微控制器的輔助器件。根據(jù)其功能和復(fù)雜程度，本白皮書中的例子可以分成三類。第一類是I/O管理，主要針對(duì)引腳級(jí)應(yīng)用。第二類是端口管理，重點(diǎn)是器件之間的各種接口。第三類是系統(tǒng)管理，面向使用引腳或者端口來(lái)控制系統(tǒng)級(jí)功能的應(yīng)用。
第一次接觸可編程邏輯的設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)CPLD設(shè)計(jì)在很多方面和傳統(tǒng)的微控制器設(shè)計(jì)類似。下面簡(jiǎn)單說(shuō)明CPLD設(shè)計(jì)流程：
1
利用軟件開(kāi)發(fā)工具，采用Verilog或者VHDL等高級(jí)語(yǔ)言編寫設(shè)計(jì)。
2
對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證功能是否正確。
3
驗(yàn)證是否滿足資源占用和時(shí)序通路等物理要求，將設(shè)計(jì)“適配”到CPLD中。
4
對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證時(shí)序是否正確。
5
設(shè)計(jì)被編程至物理器件中。

一個(gè)主要不同是復(fù)雜的在電路仿真器功能，以驗(yàn)證微控制器。然而，一旦理解了可編程技術(shù)的細(xì)微差別后，微控制器設(shè)計(jì)人員便能夠很好地進(jìn)行CPLD設(shè)計(jì)

CPLD替代微控制器的實(shí)例

以下部分介紹了CPLD能夠有效替代微控制器的某些應(yīng)用。

I/O管理

當(dāng)考慮是使用CPLD還是微控制器來(lái)進(jìn)行I/O管理時(shí)，所需要的I/O數(shù)量和類型是兩個(gè)關(guān)鍵因素。微控制器的好處是體積小而且價(jià)格低，當(dāng)然還有大量的小型低成本微控制器供設(shè)計(jì)人員選擇。然而，如果某一應(yīng)用需要大量的通用I/O，那么CPLD在成本上通常可以和微控制器相競(jìng)爭(zhēng)。小型低成本微控制器一般受限于串口，它最多有幾個(gè)通用I/O引腳。

設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，I/O數(shù)量較多的微控制器體積也不小，而且價(jià)格也昂貴。而另一方面，CPLD趨于有較多的I/O；小外形封裝CPLD有50多個(gè)I/O是比較常見(jiàn)的。例如，5mm x 5mm封裝的Altera® MAX® IIZ EPM240Z CPLD有80個(gè)I/O。除了I/O數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)以外，一般情況下，CPLD要比微控制器更加靈活。除了某些例外，大部分CPLD I/O都能夠用于任意目的。

可編程電平轉(zhuǎn)換

很多產(chǎn)品都需要使用電壓不同的各種邏輯器件。為支持多電壓應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員要經(jīng)常連接不同電平的器件。而采用微控制器幾乎不可能實(shí)現(xiàn)這一切，因?yàn)槲⒖刂破鞯腎/O資源數(shù)量有限，一般采用一個(gè)電壓源工作。而CPLD有大量的I/O，并分成多個(gè)塊。相應(yīng)的為每個(gè)I/O塊分配一個(gè)電壓源。因此，開(kāi)發(fā)電平轉(zhuǎn)換器只需要將一個(gè)塊中一種電壓的所有I/O分在一起，將相關(guān)的電壓參考連接到這些I/O所需的電源上(圖1)。使用CPLD不但能夠很好地完成電平轉(zhuǎn)換，它更大的優(yōu)勢(shì)在于和電平轉(zhuǎn)換相結(jié)合的可編程功能。例如，如果某一應(yīng)用需要LCD顯示器，但主處理器并不支持這種顯示器，而且電平不同，那么可以采用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)主處理器和LCD顯示器之間的電平轉(zhuǎn)換時(shí)序控制功能。

圖1. 使用MAX IIZ CPLD來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換



脈沖寬度調(diào)制

一般而言，設(shè)計(jì)人員針對(duì)某一功能選擇一款微控制器，例如脈沖寬度調(diào)制(PWM)，這些功能也可以采用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。在PWM中，方波的時(shí)間周期不變，而信號(hào)保持高電平的時(shí)間在變化或者受到調(diào)制。這樣，信號(hào)的占空比(tON)是變化的。PWM為數(shù)字系統(tǒng)中的模擬電路控制提供了有效的方法。便攜式應(yīng)用中常用的一種方法是利用PWM來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度。

CPLD并沒(méi)有專用PWM電路，但是實(shí)現(xiàn)PWM輸出并不難。例如，MAX IIZ CPLD的內(nèi)部振蕩器可以用作頻率源，計(jì)數(shù)器可以用于調(diào)制所產(chǎn)生的頻率。



模數(shù)轉(zhuǎn)換器

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常選擇微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。然而，在某些情況下，例如鍵盤解碼，可能不需要ADC。

然而，CPLD也是一種選擇。加入一個(gè)簡(jiǎn)單的低成本外部電容后，MAX IIZ CPLD可以利用其內(nèi)部振蕩器、施密特觸發(fā)器I/O以及高密度算法可編程邏輯架構(gòu)來(lái)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換(1)。

上電排序
MAX IIZ器件針對(duì)大量的系統(tǒng)管理功能進(jìn)行了優(yōu)化，例如多電壓系統(tǒng)上電和系統(tǒng)復(fù)位上電排序功能，以及片選信號(hào)生成等。這兩類應(yīng)用一般集成在一個(gè)非易失、瞬時(shí)接通器件中。多電壓系統(tǒng)上電排序功能需要采用瞬時(shí)接通器件，該器件能馬上管理PCB上其他器件的上電順序。因此，相對(duì)于在毫秒量級(jí)上電的微控制器，能夠在幾微秒內(nèi)上電的CPLD是上電排序功能更好的選擇。

看門狗定時(shí)器

很多系統(tǒng)管理應(yīng)用需要采用定時(shí)器。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)吃驚地發(fā)現(xiàn)CPLD可以用于實(shí)現(xiàn)通常由微控制器完成的定時(shí)器功能。利用幾個(gè)分立電容、電阻、二極管和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單但是有效的電阻電容(RC)定時(shí)器電路，周期性的對(duì)CPLD上電。在圖4的實(shí)例電路中，設(shè)置RC值來(lái)建立一個(gè)10秒定時(shí)器?？梢岳萌齻€(gè)外部電容(C1、C2和C3)來(lái)擴(kuò)展這一基本定時(shí)器，三個(gè)電容被用于建立一個(gè)簡(jiǎn)單的非易失二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。這樣，在MAX IIZ EPM240Z CPLD中利用19％的邏輯就可以完全實(shí)現(xiàn)從10秒到80秒的間隔周期(2)。

GPIO引腳擴(kuò)展

在常見(jiàn)的通用I/O(GPIO)引腳擴(kuò)展應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員把低成本小型微控制器的可編程功能和CPLD的通用IO資源結(jié)合起來(lái)使用。CPLD構(gòu)建一組內(nèi)部寄存器，微控制器通過(guò)I2C或者SPI等串口來(lái)訪問(wèn)這些寄存器，使微控制器能夠使用現(xiàn)有的I/O資源來(lái)擴(kuò)展其I/O總數(shù)量。利用擴(kuò)展I/O，設(shè)計(jì)人員還可以使用CPLD進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而提高了CPLD的實(shí)用性(3)。