Cpld 在电子系统设计中的应用

文章编号:1004-9762(2003)01-0066-05CP LD在电子系统设计中的应用Ξ王建国1,樊　勇2,江　杰2,马志强1(11中国海洋大学工程学院,山东青岛　266071;21包头钢铁学院信息工程学院,内蒙古包头　014010)关键词:复杂可编程逻辑器件(CP LD);硬件描述语言(VH D L)中图分类号:T N402 文献标识码:A摘　要:介绍了采用CP LD器件进行电路设计的优点1着重介绍在电子系统设计中,使用CP LD器件和传统集成电路设计的不同,通常来讲采用CP LD设计是一种基于芯片的、“自顶向下”的设计方法;同时,用具体的设计实例展示了将CP LD用于电子系统设计时,CP LD内部功能的划分,以及各功能模块具体的实现方法1Application of CPLD in the electronical system designW ANGJian2guo1,FAN Y ong2,J I ANGJie2,M A Zhi2qiang1(1.Institute of Engineering,Ocean University of China,Qingdao266071,China;2.In formation Engineering School,UIST Baotou,Baotou 014010,China)K ey w ords:CP LD;VH D LAbstract:The advantages of the application of CP LD in the circuit design are introduced and then the differences are mainly analyzed between applying CP LD and applying traditional integrated circuit.G enerally speaking,the CP LD design is based on the C M OS chip and is a kind of method from top to bottom.S pecific examples are given to illustrate the partition of CP LD internal functions as well as the realization of CP LD in the design of the electronical system. 复杂可编程逻辑器件CP LD(C om plicated Pro2 grammable Logic Device)的出现是超大规模集成电路(V LSI)技术和计算机辅助设计(C AD)技术发展的结果1CP LD器件集成度高,体积小,具有通过用户编程实现专门应用的功能1它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台,经过设计输入、仿真、测试和校验,直到达到预期的结果1使用CP LD器件可以大大缩短系统的研制周期,减少资金投入1更吸引人的是,采用CP LD器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,从而降低了功耗,提高了可靠性,同时还可以很方便地对设计进行在线修改1因此,CP LD器件特别适合于产品的样机开发和小批量生产1单片机系统一般由模拟子系统、数字子系统和微处理器子系统3大部分构成1而将CP LD技术应用于数字子系统的设计时,设计者只要拥有1台计算机、1套相应的软件和CP LD器件,在实验室里就可以完成数字系统的设计和生产11　在单片机系统中采用CP LD来设计的特点111　采用CP LD设计是一种基于芯片的设计方法[1]在传统的数字系统的设计中,设计者只能采用传统的搭积木式的方法进行设计,即由器件搭成电2003年3月第22卷第01期包头钢铁学院学报Journal of Baotou University of Iron and S teel T echnologyMarch,2003V ol.22,N o.1Ξ收稿日期:2003-01-27作者简介:王建国(1956-),男,内蒙古呼和浩特人,中国海洋大学教授,硕士1路板,由电路板搭成电子系统1数字系统最初的“积木块”是固定功能的标准集成电路,如74/54系(TT L)、4000/4500系列(C M OS)芯片和一些固定功能的大规模集成电路,按照器件推荐的电路搭成系统1设计者只能对电路板进行设计,通过电路板来实现系统功能,在设计时,设计者几乎没有灵活性可言,搭成的电子系统所需的芯片种类多且数目大1利用E DA(电子设计自动化)工具,采用可编程器件,通过设计芯片来实现系统功能,这种方法称为基于芯片的设计方法1新的设计方法能够由设计者定义器件的内部逻辑和管脚,将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片的设计中来完成1这样不仅通过芯片设计实现多种数字逻辑系统功能,而且由于管脚定义的灵活性,大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度,从而有效地增强了设计的灵活性,提高了工作效率1同时,基于芯片的设计可以减少芯片的数量,缩小系统体积,降低能量消耗,提高系统的性能和可靠性1112　用CP LD设计是一种“自顶向下”的设计方法[1]过去,电子产品设计的基本思路一直是先选用标准通用集成电路芯片,再由这些芯片和其它元件自下而上地构成电路、子系统和系统1这样设计出的电子系统所用元件的种类和数量均较多,体积与功耗大,可靠性差1而采用CP LD设计时,可以是一种“自顶向下”的设计1首先要进行行为设计,确定所设计的系统或CP LD芯片的功能、性能及允许的芯片面积和成本1接着进行结构设计,根据该系统或CP LD的特点,将其分解为接口清晰、相互关系明确、尽可能简单的子系统,得到1个总体结构1这个结构可能包括算术运算单元、控制单元、数据通道、各种算法状态机等1下一步把结构转换成逻辑图,进行逻辑设计1在这一步中,希望尽可能采用规则的逻辑结构或采用自己经过考验的逻辑单元或模块1接着进行电路设计,逻辑图将进一步转换成电路图,在很多情况下,这时需要进行硬件仿真,以最终确定逻辑设计的正确性1最后,将设计好的电路经过编译,形成熔丝文件,将该文件下载到选定的CP LD中1至此, CP LD就成为了可以完成固定功能的ASIC了1如图1所示1下面通过作者设计的实例,介绍CP LD技术应用于单片机系统设计时的这些特点1图1　传统的设计和采用CP LD设计的流程图Fig.1　Difference of flow ch art betw een traditionaldesign and design of using CP LD　2　CP LD应用于单片机系统设计实例该实例是一种点对多点的数据采集系统的主机部分1通过键盘的操作将需要采集数据的终端配置为有效,采用无线模块以循环、单点2种方式采集、存储数据并在液晶屏幕显示操作的结果1如图2所示1图2　系统框图Fig.2　System ch art 采用“自顶向下”的设计方法,首先是行为设计,根据控制任务,CP LD芯片要起到外围器件和单片机的连通作用,同时还起到一部分外围器件的控制作用,选用A LTERA公司的CP LD芯片EPM7128S LC84 (56个I/O口,2500个可用门)作为设计对象1接着进行结构设计,将CP LD内部划分为键盘处理功能模块、液晶显示接口/控制模块、时钟芯片接口模块、掉电RAM接口模块,每一部分的模块通过地址选通76王建国等:CP LD在电子系统设计中的应用模块以总线的方式同单片机相连1下一步把结构转换成逻辑图,进行逻辑设计,进一步将逻辑图转换成电路图1所有的模块都是在M AX +P LUSS Ⅱ软件环境下设计的1下面将介绍各个子模块的设计1211　产生选通信号模块为了将各个模块以总线的方式与单片机相连,调用M AX +P LUSS Ⅱ软件库中的74138译码器产生选择不同模块的有效信号(图3)1其中,A13,A14,A15与单片机的高3位的地址线相连,RD ,WR 分别与单片机的读、写信号线相连,当Y 0,Y 1,Y 2低电平(选通相应的模块)时,单片机对应的地址分别是图3　有效信号产生电路Fig.3　Circuit of producing effective signals0300H ,2000H ,4000H 1通过该模块,单片机就可以以总线的方式分时地控制外围器件了1212　键盘处理功能模块[2]在单片机应用系统中,利用键盘接口输入数据,是实现现场实时调试、数据调整和控制最常用的方法1但是,利用键盘扩展电路需要占用单片机的资源对按键进行监控和处理,这对要求高实时性处理单片机系统是不现实的1而采用专用的键盘接口芯片(例如Intel 8279)在灵活性方面尚有欠缺,尤其当用户需要实现某些特定功能时,其缺点更为明显1将键盘处理的工作交给CP LD 来完成,不但减轻了单片机的负担,而且实时性也比较好1如图4所示,KEY SC AN 是对4×4矩阵键盘进行扫描处理的模块,它的底层是用VH D L (硬件描述语言)编制的1输出clk scan [3110]作为键盘行扫描信号,它以“1110”,“1101”,“1011”,“0111”的状态,以15H z 的频率循环变化,同时从key in[3110]端读入某一行按键的状态信号1通过clk scan [3..0]和key in [3..0]的综合值来判断键盘按下的状态1如果没有按键按下,out numb[4..0]输出“11111”,当有某一个按键按下时,out numb [4..0]将输出相应数字值.对于单片机,只要以查询的方式来判断P0口的状态就能判断当前按下的是哪一个按键,然后作出对应的响应1单片机读键值是调用M AX +P LUSS Ⅱ软件库中的74244来完成的1图4　键盘扫描电路图Fig.4　Circuit of scanning key213　液晶显示接口/控制模块在这个模块中,除了调用M AX +P LUSS Ⅱ软件库中的2个74273模块来完成对液晶显示器的控制,还利用VH D L 语言设计了1个液晶显示器的背光控制子模块1如图5所示,其中1m393out 是光敏电阻经过比较器LM393形成的光源探测信号的输入端,“1”表示有光源,“0”表示无光源;out numb [4..0]是键盘处理子模块的输出信号,作为背光控制模块的输入信号;beiguang 作为模块的输出信号,控制背光的开、关1背光控制子模块所实86包头钢铁学院学报2003年3月　第22卷第1期现的功能是:如果探测到没有光源并且有任意的按键按下,背光输出信号持续有效10s 110s 后,背光自动关闭1同时,给出用VH D L 编制的液晶显示器的背光控制程序,可以利用M AX +P LUSS Ⅱ软件的功能将这个用语言编写的程序转换成模块加以调用1图5　液晶显示器控制电路Fig.5　Circuit of controlling LCD 液晶显示器背光控制模块的VH D L 源程序library ieee ;use ieee.std logic 1164.all ;use ieee.std logic unsigned.all ;entity bgcontrol isport ( clk 4m :in std logic ; lm393out :in std logic ; in numb :in std logic vector (4d ownto 0); beiguang :out std logic :=‘1’ );end bgcontrol ;architeature a of bgcontrol issignal second 10:integer range 0to 20010:=20000;signal second :std logic ;begin counter :block　signal q :std logic vector (10downto 0);　begin　process (clk 4m ) begin if clk 4m ’event and clk 4m =‘1’then q <=q +1; end if ; second <=q (10);—about 1H z end process ;end block counter ;process (lm393out ,in numb ,second )begin　if second ’event and second =‘1’then if lm393out =‘1’then if in numb/=“11111”then beiguang <=‘0’; second 10<=0; else if second 10<20000then second 10<=second 10+1; beiguang <=‘0’; else sec ond 10<=20000;beiguang <=‘1’; end if ; end if ; else96王建国等:CP LD 在电子系统设计中的应用 beiguang <=‘1’;second 10<=20000; end if ;　end if ;end process ;end a214　时钟芯片和掉电RAM 的接口模块只是调用M AX +P LUSS Ⅱ软件库中的74373和74273模块产生低8位地址和数据发送通道,而对于时钟芯片和掉电RAM 进行控制的其他信号都是由单片机产生的,如图6所示1图6　地址产生电路Fig.6　Circuit of producing address 最后,对由各模块搭成的总系统进行调试,编译形成熔丝文件,再将熔丝文件下载到EPM7128S LC84中,就拥有一片自己设计的ASIC 了13　结束语由以上的设计实例可以看出,在单片机系统中合理地应用CP LD 技术,大大提高了系统设计的灵活性,提高了系统的可靠性和集成度,缩短了产品研制的周期,同时还可以降低设计成本,节省PC B 板的面积和布线难度1因此,在目前的电子设计中,充分利用单片机+CP LD 的设计体系结构将起到事半功倍的效果1参考文献:[1]　徐志军,徐光辉1CP LD/FPG A 的开发与应用[M]1北京:电子工业出版社,20021[2]　卢　毅,赖　杰1VH D L 与数字电路设计[M]1北京:科学出版社,2001107包头钢铁学院学报2003年3月　第22卷第1期。