CPLD器件在單片機(jī)控制器中的應(yīng)用分析

自動(dòng)控制的對(duì)象五花八門(mén)、品種繁多，要求控制器能夠模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、靈活配置;進(jìn)入商品經(jīng)濟(jì)時(shí)代，允許設(shè)計(jì)者的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，從幾年、幾月縮短到幾月、幾天;有時(shí)合同臨近結(jié)束前，用戶還會(huì)提出更改設(shè)計(jì)條款的要求。因此，需要設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)出適應(yīng)性強(qiáng)、便于修改、配置靈活的控制器，以滿足用戶需求，爭(zhēng)得商機(jī)。

從成本考慮，有時(shí)以單片機(jī)為核心器件，量身度造地為被控對(duì)象設(shè)計(jì)專用控制器，仍是一種較好的選擇。

CPLD器件與單片機(jī)結(jié)合優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相得益彰

單片機(jī)的一些優(yōu)缺點(diǎn)

單片機(jī)具有強(qiáng)大的信息處理、邏輯分析、決策判斷等能力，借助程序，通過(guò)輸入/輸出接口，實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的狀態(tài)，控制其當(dāng)前或預(yù)計(jì)的行為，組成智能化儀器設(shè)備。

但是，單片機(jī)存在不可克服的缺點(diǎn)和弱點(diǎn)，如：

低速　單片機(jī)靠執(zhí)行指令來(lái)完成各種功能，不論多高的工作時(shí)鐘頻率或多么好的指令時(shí)序，其排隊(duì)式串行指令執(zhí)行方式使得工作速度和效率大打折扣。在高速實(shí)時(shí)仿真、高速數(shù)據(jù)采集等方面顯得力不從心。

復(fù)位工作方式　單片機(jī)工作之初，需花一段時(shí)間經(jīng)歷復(fù)位過(guò)程;工作時(shí)，在某種干擾性突變情況下，也會(huì)復(fù)位，復(fù)雜的復(fù)位過(guò)程很可能就是工作不可靠的根源。

程序跑飛　偶然因素，會(huì)引起程序跑飛。雖然有“看門(mén)狗”或其他抗干擾措施，在極復(fù)雜的情況下，單片機(jī)的程序仍存在跑飛的可能，從而進(jìn)入“死機(jī)”。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)的芯片通過(guò)印制板與系統(tǒng)中由其他集成電路組成的邏輯電路相連。一旦改變?cè)O(shè)計(jì)，可能重新制版，加長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期。

CPLD器件的一些優(yōu)缺點(diǎn)

隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，集成電路規(guī)模越來(lái)越大，產(chǎn)生了復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FP2GA(兩種器件有類似之處，以下用CPLD器件簡(jiǎn)稱)，這些器件含有數(shù)量眾多的可編程邏輯宏單元或邏輯塊，他們能夠任意組合，設(shè)計(jì)成功能各異的邏輯電路。

CPLD器件輸入引腳的箝位電平和輸出引腳的原始電平可預(yù)先設(shè)定，一開(kāi)機(jī)立即就能達(dá)到預(yù)定電平，狀態(tài)明確。各邏輯宏單元或邏輯塊的輸入信號(hào)僅需幾ns～幾十ns就反映到輸出端，信號(hào)傳輸效率很高，適合高速采樣等場(chǎng)合。

可編程邏輯宏單元或邏輯塊之間的相互連線在同一封裝內(nèi)，受外界干擾影響小，電磁兼容(EMC)性能好。然而，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，CPLD器件最大的優(yōu)點(diǎn)在于可現(xiàn)場(chǎng)編程。改變邏輯關(guān)系時(shí)，無(wú)需更改外部線路板，只需用圖形語(yǔ)言程序或硬件描述語(yǔ)言程序來(lái)改變電路，生成下載編輯軟件，通過(guò)下載電纜輸入CPLD器件即可，非常方便，特別有利于新品試制，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。

CPLD器件雖然可任意組成各種邏輯電路，但在信息處理、邏輯分析、決策判斷等“智能”方面比不上單片機(jī)，雖說(shuō)可用CPLD器件仿真單片機(jī)，但畢竟有差距，一般多用作“狀態(tài)機(jī)”或輔助邏輯電路。

CPLD器件和單片機(jī)結(jié)合能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

如果把兩者結(jié)合起來(lái)，組成的控制器就能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相得益彰。大量工業(yè)控制的對(duì)象不屬高速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這時(shí)，圖1示例的控制線路比較節(jié)省硬件開(kāi)銷，適合CPLD器件的特性，容易調(diào)試，抗干擾能力強(qiáng)。

圖1　基于單片機(jī)和CPLD器件的控制器方框圖

若是高速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，應(yīng)采用并行A/D轉(zhuǎn)換集成電路，用作輸入信號(hào)VI的采樣、轉(zhuǎn)換電路。

開(kāi)關(guān)型接口

CPLD器件與外部設(shè)備的開(kāi)關(guān)型的輸入/輸出端，可按圖2所示方式連接，構(gòu)成類似于PLC可編程控制器的開(kāi)關(guān)型接口。有些設(shè)計(jì)者在a點(diǎn)處插入了整形電路，其實(shí)，當(dāng)CPLD器件與單片機(jī)結(jié)合時(shí)，可借助濾波軟件，消除抖動(dòng)的影響，使得線路簡(jiǎn)潔。經(jīng)實(shí)際使用，效果很好。

圖2　開(kāi)關(guān)型輸入/輸出接口

在高速采樣或利用脈沖信號(hào)的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象而工作的場(chǎng)合，CPLD器件比單片機(jī)更具有優(yōu)越性。例如，某型號(hào)分條整經(jīng)機(jī)，紗籠直徑650～1000mm，需要判別轉(zhuǎn)向。紗籠高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，A，B二路信號(hào)的時(shí)間差最小約240ns。這樣的時(shí)間差距，單片機(jī)很難處理;有時(shí)候又需要操作工人轉(zhuǎn)動(dòng)紗籠，調(diào)整位置，速度往往幾乎為零，并可能反復(fù)變換方向。

采用CPLD器件，組成如圖4所示的判向電路，A路信號(hào)從IN05引腳輸入，B路信號(hào)從IN10引腳輸入，方向信號(hào)從數(shù)據(jù)總線的DATA0取出(波形見(jiàn)圖5)，傳送給單片機(jī)。供單片機(jī)檢出和脈沖計(jì)數(shù)。

這項(xiàng)應(yīng)用的難點(diǎn)，不僅在于高速時(shí)判別轉(zhuǎn)向，還在于工人轉(zhuǎn)動(dòng)紗籠時(shí)，情況復(fù)雜多變。雖說(shuō)傳感器內(nèi)部配備了斯密特整形電路，當(dāng)紗籠低速穿越傳感器時(shí)，拉長(zhǎng)跨越門(mén)檻電平的時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生一串不穩(wěn)定的跳變，發(fā)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

圖3　紗籠傳感器信號(hào)及波形示意圖

圖4　判向電路

借助單片機(jī)的特殊處理程序和CPLD器件中其他邏輯電路，該整經(jīng)機(jī)項(xiàng)目的控制器不論高速還是低速，都能可靠地檢出方向和脈沖個(gè)數(shù)，未發(fā)生過(guò)錯(cuò)誤。

圖5　判向電路的仿真波形圖

模擬信號(hào)接口

模擬信號(hào)輸入接口

當(dāng)控制對(duì)象不需要高速采樣、高速調(diào)節(jié)時(shí)，采用圖1控制器方框圖中所示的模數(shù)轉(zhuǎn)換形式，能夠充分發(fā)揮CPLD器件邏輯宏單元可編程的長(zhǎng)處。V/F轉(zhuǎn)換器把輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為頻率信號(hào)，供CPLD器件中的計(jì)數(shù)器(圖1中未畫(huà)出)計(jì)數(shù)，從而把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該計(jì)數(shù)器的字長(zhǎng)、進(jìn)制、模式根據(jù)需要可任意編程設(shè)定，比使用單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器靈活方便。此處不詳敘。

當(dāng)控制對(duì)象為高速系統(tǒng)時(shí)，可采用并行A/D轉(zhuǎn)換集成電路，這時(shí)宜采用并行口控制，可通過(guò)單片機(jī)或CPLD器件按常規(guī)方式對(duì)A/D電路的進(jìn)行。

模擬信號(hào)輸出接口

輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)，可采用脈寬調(diào)制(PWM)波形加低通濾波器方式，很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。PWM頻率越高，濾波效果越好，數(shù)模轉(zhuǎn)換通道如圖6所示。

圖7是在CPLD器件內(nèi)設(shè)計(jì)的一個(gè)8位計(jì)數(shù)器PWM波形發(fā)生器的示例。填入不同的計(jì)數(shù)初值，將在PWMOUT端相應(yīng)輸出不同占空比的脈沖串(見(jiàn)圖8)。

圖6　數(shù)模轉(zhuǎn)換通道示意圖

圖7　8位計(jì)數(shù)器PWM波形發(fā)生器示例圖

圖8　脈寬調(diào)制波形比較圖

在圖7中，時(shí)鐘脈沖從P32引腳輸入，WRN是寫(xiě)選通信號(hào)輸入端，PWMOUT是輸出端。

如果只使用CPLD器件，PWM波的周期和脈寬形成電路會(huì)比較復(fù)雜。結(jié)合單片機(jī)以后，PWM波形的周期就是單片機(jī)定時(shí)訪問(wèn)該計(jì)數(shù)器的WRN信號(hào)的周期，脈寬由單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(DATA0～7)填入的計(jì)數(shù)初值決定。減少了CPLD器件內(nèi)可編程邏輯宏單元或邏輯塊數(shù)量的消耗。在圖6中，整形電路主要起限幅、隔離作用。限幅之后，使幅度保持一致，并加大脈沖的上升沿和下降沿的陡削度，保證后級(jí)轉(zhuǎn)換的電壓幅度主要取決于脈寬，減少附加誤差。

濾波電路影響到轉(zhuǎn)換的線性度，根據(jù)不同的課題要求，可采用無(wú)源濾波器、有源一階、二階低通濾波器。巴特沃茲型濾波器具有平坦的通帶幅頻特性，最適于本轉(zhuǎn)換電路方式的需要。以圖9所示巴特沃茲二階低通濾波器為例，其截止頻率fo為：

圖9　二階低通濾波器

截至頻率fo應(yīng)該大于信號(hào)帶寬邊沿，但是要遠(yuǎn)小于PWM信號(hào)的頻率。濾波器R，C的取值直接影響轉(zhuǎn)換后的紋波幅度和轉(zhuǎn)換速率，兩者對(duì)R，C的要求正相反，應(yīng)均衡考慮。必要時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取合適的數(shù)值。

脈寬調(diào)制(PWM)波加低通濾波而實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路，其精度主要取決于計(jì)數(shù)器的字長(zhǎng)、PWM的頻率、低通濾波器的形式和元件選型。注意到這幾點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效果令人滿意。本文以8位計(jì)數(shù)器舉例，實(shí)際應(yīng)用中，考慮種種因素，一般采用10～14位計(jì)數(shù)器。

圖6中的功率放大級(jí)主要是把濾波器輸出的信號(hào)，以適當(dāng)?shù)姆糯?、反饋形式，轉(zhuǎn)換成符合Ⅱ型儀表、Ⅲ型儀表規(guī)定的電壓、電流信號(hào)，或轉(zhuǎn)換成其他觸發(fā)控制信號(hào)，以便與被控對(duì)象連接，調(diào)節(jié)其工作狀態(tài)。

結(jié)語(yǔ)

CPLD器件的物理機(jī)制像74系列、CD4000系列集成電路那樣，純屬硬件電路，十分可靠。繁雜的開(kāi)發(fā)工作是依賴功能強(qiáng)大的EDA軟件實(shí)現(xiàn)的，入門(mén)門(mén)檻較低，易于初學(xué)者上手。目前正被越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者青睞，普及推廣只是時(shí)間問(wèn)題。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，相信CPLD器件會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步，可能會(huì)與微機(jī)日益緊密結(jié)合，以致兩者間界限模糊，你中有我，我中有你。

研制產(chǎn)品時(shí)，使CPLD器件與單片機(jī)的有機(jī)結(jié)合，不但縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且控制器配置靈活、修改方便、適應(yīng)性強(qiáng)，加大了研制的自由度。容易滿足用戶的多元需求，從而爭(zhēng)得商機(jī)。