單片機/CPLD結(jié)構(gòu)體系在電子設(shè)計中的應(yīng)用

自20世紀80年代單片機引入我國以來，學(xué)習(xí)和應(yīng)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決定的。實際上，從單片機/CPLD應(yīng)用通用數(shù)字集成電路系統(tǒng)，到廣泛應(yīng)用單片機，是我國電子設(shè)計在智能化應(yīng)用水平上質(zhì)的飛躍。據(jù)統(tǒng)計分析，單片機的銷量單片機/CPLD到目前為止依然逐年遞增，而且在很長一段的時間內(nèi)，單片機依然會是電子設(shè)計的主角(雖然這一地址已經(jīng)受到了CPLD的挑戰(zhàn))。

1 純單片機系統(tǒng)優(yōu)缺點

①大量單片機/CPLD的外圍芯片和接口電路使得單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計變得簡單而且快捷，新型單片機的上市和高級語言的支持(如C51)進一步延長了單片機的壽命。

②長期穩(wěn)定的發(fā)展和使單片機性價比非常高，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。這一點是CPLD目前難以達到的。

但是，單片機的缺點也有目共睹：

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所決定的。

②低可靠性。雖然單片機/CPLD目前有很多器件與設(shè)計在一定程序上解決了部分問題，如看門狗的廣泛應(yīng)用，但在某些情況下瞬間的復(fù)位也會造成嚴重后果。

2 純CPLD設(shè)計的優(yōu)缺點

即使單純單片機/CPLD的單片機結(jié)構(gòu)能完成的功能，在某些情況下也寧可使用純數(shù)字電路完成。而當(dāng)前開始流行的CPLD，則不但克服了單片機的缺點，而且由于可采用VHDL語言編程，進一步單片機/CPLD打破了軟硬件工程師的界限，加速了產(chǎn)品的開發(fā)過程，使純數(shù)字電路的設(shè)計變得簡單。人們甚至在討論用C作為下一代硬件描述語言。

難怪有專家指出，電子設(shè)計的單片機時代即將過去，而以PLD為核心的EDA(電子設(shè)計自動化)將是單片機/CPLD未來設(shè)計的方向。由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片PLD芯片上已經(jīng)可以集成上百萬門，就系統(tǒng)規(guī)模而言，將單片機設(shè)計在內(nèi)也沒什么問題。美國的可編程器件廠商已經(jīng)以軟核和硬核嵌入兩種形式(將單片機電路嵌入PLD)為設(shè)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(dāng)前的普遍應(yīng)用中，單純依靠PLD器件還有點早，原因如下：

①由于歷史單片機/CPLD的原因，我國的電子設(shè)計人員大部分應(yīng)用的是MCS51系列單片機，還沒聽說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間，而且原有的程序更使人不愿改動。

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

所以，由于單片機和PLD的互補性，利用單片機加PLD的結(jié)構(gòu)至少在近期內(nèi)將一種較好的選擇。下面通過作者設(shè)計的實例，介紹MCS51+EMP703S結(jié)構(gòu)體系的特點及注意事項。

3 單片機+CPLD結(jié)構(gòu)體系設(shè)計實例

本設(shè)計用于單片機/CPLD自動化控制，設(shè)計要求如圖1所示。

對于一個熟悉單片機系統(tǒng)設(shè)計的工程師而言，上述設(shè)計不會有技術(shù)上的困難，問題在于：

①要用兩個全雙工串口;

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

從設(shè)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：單片機AT89C51和CPLD——EPM7032S，并且電路板采用模塊化設(shè)計，預(yù)留了擴展接口，只需要配上不同的處理模塊，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、鍵盤掃描、顯示驅(qū)動和繼電器控制等許多功能。單片機和EPM7032S之間采用了類似SPI接口的通信方法。如圖2所示。采用這種方法，既實現(xiàn)了單片機和CPLD之間的通信，又具有靈活性，并且節(jié)約了大量的端口資源。

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

圖3中：CLK為同步時鐘;SEND為數(shù)據(jù)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)過多次檢驗，對于節(jié)省PCB板的面積和布線難度、提高設(shè)計可靠性和提高設(shè)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

qout<=data &qout(5 downto 1)

else null;

end if;

end process;

end io 1;

通過程序單片機/CPLD可以看出，利用CLK和SEND線發(fā)送控制信號;利用END作為結(jié)束位，無論什么情況，如果沒有結(jié)束位的下降沿脈沖，PLD的輸出端口不會改變，這樣可確保輸出信號的穩(wěn)定。這種輸出鎖存使單片機在死機復(fù)位時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的下降沿脈沖時再把數(shù)據(jù)輸出，作出相應(yīng)的置高低電平的動作。

由上述設(shè)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(wěn)定等方面，PLD無疑是首選。因此，在目前的電子設(shè)計中，充分利用單片機+PLD結(jié)構(gòu)將起到事半功倍的效果。