引 言

自單片機引入我國以來，相關產品的普及促使單片機的應用設計日益廣泛。傳統(tǒng)的單片機控制系統(tǒng)由單片機以及外圍擴展芯片組成，但是這些外，圍芯片一般具有接線重復性高、體積大等缺點?？?a target="_blank">編程邏輯宏單元或邏輯塊之間的相互連線在同一封裝內，受外界干擾影響小，電磁兼容（EMC）性能好。對設計者來說，CPLD器件最大的優(yōu)點在于可現(xiàn)場編程，改變邏輯關系時，無需更改外部線路板，只需用圖形語言程序或硬件描述語言程序來改變電路，生成下載編輯軟件，通過下載電纜輸入CPLD器件即可，非常方便，特別有利于新品試制，大大縮短了開發(fā)周期。使用CPLD和單片機結合構成其外圍電路可以減少系統(tǒng)芯片數量，縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性。

1、控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一個無線傳感器網絡節(jié)點的控制系統(tǒng)，它用于控制無線模塊接收主站發(fā)送過來的信息，單片機讀取這些數據并譯碼后，根據譯碼結果控制各功能子模塊，如無線模塊控制、溫度采集控制、電源管理控制、時間統(tǒng)一信號控制等功能，共需要28個輸出控制I／O口，13個輸入控制I／O口，擴展I／O端口分配8個。各外圍模塊通過SPI串行標準接口的擴展與單片機和CPLD進行通信，并完成數據傳輸控制功能。各外圍模塊只需接受MCU的控制命令，即可獨立完成外圍模塊各自的功能：無線模塊的收發(fā)、數據采集A／D轉換、時間統(tǒng)一記錄、電源管理等。同時預留單片機通過USART的串口輸出，另外，還需要此系統(tǒng)具有很好的擴展性，通過擴展外圍模塊來增加節(jié)點不同的功能。系統(tǒng)設計要求如圖1所示。

根據設計要求，單片機系統(tǒng)要8 b的UART串行輸出以及SPI串行輸入輸出，同時為了完成各種控制功能，單片機必須至少擴展7個I／O端口。如果使用傳統(tǒng)的擴展方法，在輸出速率要求不高的情況下，并行接口通常使用8255傳統(tǒng)的微處理器接口芯片來擴展。

但是，這些芯片都是40腳DIP封裝，體積龐大，并且每片最多只能擴展3個8 b I／O端口，還要考慮8255中A，B，C口是作為輸入口還是輸出口。當需要的控制端口較多時，不得不用多個這種專用芯片。這時需重復連接多片8255的8位數據線、單片機讀／寫信號線、ALE，CS（片選）和A0，A1信號線，增加了單片機硬件、軟件的設計難度，也就造成電路復雜、控制不便、可靠性降低，而且增大了電路的功耗、體積和重量。同時接口芯片提供的端口數未必與實際需要的端口數相等，不能根據實際情況分配I／O端口的數量，容易造成芯片部分資源的浪費。而CPLD具有豐富的可編程I／O引腳，并且由于其在系統(tǒng)可編程的特點，設計者能夠自己定義器件的內部邏輯和管腳，擴展電路也具有可編程設計的特點，方便電路的多次改進，降低了設計成本。

2、單片機與CPLD

AVR單片機，采用精簡指令集CPU（RISC），具有高性能，處理速度快（1 MIPS／MHz），成本低，包括FLASH程序存儲器、看門狗、E2PROM、同／異步串口、SPI、ADC、定時器／計數器，眾多的中斷系統(tǒng)，集成多種功能，具有低功耗抗干擾的休眠模式。

復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）是一種半定制的專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）。其芯片上按一定排列方式集成了大量的門和觸發(fā)器等基本邏輯元件。通過軟件編程可以實現(xiàn)這些元件的連接，從而使之完成某個邏輯電路或系統(tǒng)的功能，成為一個可在實際電子系統(tǒng)中使用的ASIC。

目前，最大的兩家CPLD／FPGA生產廠商分別是ALTERA以及Xilinx。該系統(tǒng)使用的Xilinx的XC2C256屬于XiIinx公司的Coolrunner2系列，包含256個宏單元，最大用戶I／O管腳有100個。

3、系統(tǒng)硬件連接組成以及工作過程

使用CPLD代替單片機的外圍接口芯片，與AVR單片機構成的控制系統(tǒng)相連如圖2所示。系統(tǒng)的主要部分僅需要2片集成電路，AVR單片機系列AT—megal62和XC2C256。單片機與CPLD之間的接口是通過單片機的地址／數據復用總線（PORTA端口）以及讀寫控制I／O口（WR，RD，ALE）與CPLD的I／O口相連來進行數據、狀態(tài)的傳輸。

在單片機中對擴展的I／O端口進行統(tǒng)一編址，通過C語言可以方便地訪問I／O端口，單片機要往數據端口或控制端口輸出信息，必須先把地址送到地址總線上，將確定的控制信息送到控制總線上，再把數據信息送到數據總線上。經過CPLD的內部邏輯進行地址、數據鎖存，并譯碼以獲得擴展的端口號，從而獲得對各個外部功能子模塊的控制信號，端口號COM1，COM2，COM3。COM4，COM5，COM6，COM7分別是無線模塊控制、時間統(tǒng)一控制、數據采集控制、電源管理控制、片選選擇控制、狀態(tài)選擇以及可擴展模塊控制等的控制端口，而且通過控制片選端口號（COM5端口），可以對各個功能子模塊進行SPI串行數據的傳輸，從而達到對SPI串行標準接口的擴展。

通過選擇不同的I／O端口可以控制讀取、寫入各外圍處理模塊的數據。要讀取某一外圍處理模塊的數據，必須先讀取狀態(tài)選擇端口COM6的狀態(tài)信息，狀態(tài)選擇RDY（數據準備好）就緒時，通過向此處理模塊控制端口COM寫入控制信息來控制子模塊的工作模式，再通過寫片選端口COM5來選擇子模塊，從而啟動SPI實現(xiàn)讀取子模塊的數據。與此對應，寫入數據也需要讀取狀態(tài)信息，再控制某一子模塊的工作模式，選擇片選信號，啟動SPI寫，就可以實現(xiàn)寫入數據的功能。

4、CPLD軟件設計

采用Xilinx公司的CPLD開發(fā)軟件Xilinx ISE完成系統(tǒng)的軟件設計，Xilinx ISE支持原理圖輸入、HDL語言輸入、狀態(tài)圖輸入和混合輸入等輸入方法。其中HDL語言中的VHDL硬件描述語言，與具體的工藝技術和器件無關，易于共享和復用，具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力。

在設計中，CPLD需要實現(xiàn)的功能為地址譯碼端口以及控制不同端口的電路設計，用VHDL語言對進行編程編譯，然后采用元件例化的方法得到電路結構如圖3所示。

CPLD中所設計的程序片斷：

地址譯碼端口以及不同端口實現(xiàn)的功能仿真結果如圖4所示。可以看出，仿真結果符合設計要求。

5、單片機軟件設計

AVR單片機固化程序采用ICC語言編寫，并使用模塊化的設計方法，分為初始化程序、預定義子程序、主程序、無線收發(fā)控制程序、各功能模塊控制程序、讀功能子模塊的子程序、配置功能子模塊程序、超時程序等。模塊化設計使軟件更加靈活，便于調用和移植，并且在錯誤發(fā)生的時候，可以很快找到錯誤，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

單片機中要對擴展的不同I／O端口分配相對應的不同的內存地址。例如：要對擴展的電源管理I／O端口分配單片機所映射的內存地址為Ox2000。可以寫成：#deftne POWER ADDR （*（unsigned char*）0x2000）。

單片機主要完成系統(tǒng)的控制功能，在實現(xiàn)輸出控制接口時需要與CPLD配合，提供CPLD需要的數據和地址及控制線。當需要某一組輸出工作時，在單片機中用C語言對宏變量對應的地址進行賦值，“WR”或“RD”同時就被拉低，CPLD通過這組信號判斷選擇并且使能某一組輸出工作，并將輸出控制代碼從單片機經過CPLD的相應端口輸出，完成控制功能。例如對電源管理單片機中定義的I／O端口對應的內存地址為：#define POWER_ADDR（*（unsigned char*）Ox2000），當用C語言寫下POWER_ADDR=Oxl2時，就會在CPLD的8個I／O口輸出相應的控制信息“00010010”，從而對各功能模塊進行供電或斷電。

6、結 語

采用CPLD作為單片機I／O端口的擴展芯片，大大減少了單片機外圍所用芯片的種類和數量，縮小了體積，降低了功耗，提高了系統(tǒng)的可靠性和整體性。使用單片機和CPLD結合可以有效地實現(xiàn)過去需要利用單片機和大量外圍接口芯片才能完成的功能，而且還可以根據需要不斷地擴展外圍電路，只需要修改CPLD的程序就可以實現(xiàn)用戶的需求。CPLD器件與單片機結合，可以優(yōu)勢互補，組成靈活的、硬軟件都可現(xiàn)場編程的控制器，縮短開發(fā)周期，適應市場需要。

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