1 引言

　　CPLD稱為復(fù)雜可編程邏輯設(shè)計(jì)芯片，它是大規(guī)模可編程器件，具有高集成度、高可靠性、高速度的特點(diǎn)。CPLD是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體。硬件描述語言是EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)手段，VHDL語言是常用的硬件描述語言之一；軟件開發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化的自動化設(shè)計(jì)工具，常用開發(fā)工具有QuartusⅡ，Ispexpert，F(xiàn)oundation等。CPLD以高速、高可靠性、串并行工作方式等特點(diǎn)在電子設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。它打破了軟硬件之間的界限，加速了產(chǎn)品的開發(fā)過程。同樣單片機(jī)具有性價(jià)比高、功能靈活、良好的數(shù)據(jù)處理能力等特點(diǎn)。CPLD芯片與單片機(jī)結(jié)合在高性能儀器儀表中應(yīng)用廣泛。

　　1 電路的仿真設(shè)計(jì)

　　1.1 硬件電路功能

　　用一片MCS-51芯片、一片CPLD／FPGA芯片、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器DAC0832構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并用CPLD／FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、D／A轉(zhuǎn)換輸出、有關(guān)數(shù)據(jù)顯示的控制，單片機(jī)完成對A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)運(yùn)算。電路如圖1所示。

　　系統(tǒng)功能如下：系統(tǒng)按一定速率采集輸入電壓U1，經(jīng)AD0809轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量data；輸入數(shù)據(jù)與通過CPLD／FPGA采樣后輸入單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，最后通過CPLD／FPGA送至DAC0832轉(zhuǎn)換為△U；數(shù)據(jù)采集和處理均在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制器的管理下有序進(jìn)行。工作速率由時(shí)鐘信號CLK的速率決定。

　　1.2 單片機(jī)與CPLD／FPGA接口設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)采用以總線方式與可編程芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制信息通信，此方式有許多優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）速度快。其通信工作時(shí)序是純硬件行為，對于MCS-51單片機(jī)只需一條單字節(jié)指令就能完成所需的讀／寫時(shí)序如MOV@DPTR A和MOV A@DPTR。

　?。?）節(jié)省CPLD芯片的I／O口線。如果將圖中的譯碼器設(shè)置足夠的譯碼輸出以及安排足夠的鎖存器就能僅通過19根I／O口線在FPGA／CPLD與單片機(jī)之間進(jìn)行各種類型的數(shù)據(jù)與控制信息交換。

　?。?）相對于非總線方式單片機(jī)的編程簡捷控制可靠。

　?。?）在FPGA／CPLD中通過邏輯切換單片機(jī)易于與SRAM或ROM接口。這種方式首先由FPGA／CPLD與接口的高速A／D等器件進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣并將數(shù)據(jù)暫存于SRAM中。采樣結(jié)束后通過切換使單片機(jī)與SRAM以總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以便發(fā)揮單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

　　系統(tǒng)工作過程如下：ALE為地址鎖存使能信號，當(dāng)下降沿來時(shí)，將P0口將低8位地址送人可編程芯片CPLD／FPGA中的地址鎖存器，然后在P2口和P0口形成的16位地址及WR信號共同作用下，將P0口的數(shù)據(jù)送入可編程芯片。單片機(jī)通過兩條指令MOVXDPTR#ADDR和MOVX@DPTR A將數(shù)據(jù)寫入芯片。在P2口和P0口形成的16位地址及RD信號共同作用下，將AD0809轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)data送入單片機(jī)的P0口。單片機(jī)通過兩條指令MOVX DPTR#ADDR和MOVXA@DPTR將數(shù)據(jù)讀入P0口。設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器件片選信號ad_e和DA轉(zhuǎn)換器件片選信號da_e，設(shè)置數(shù)據(jù)輸入／輸出口data［7．．0］。單片機(jī)與FPGA通信接口程序（名為MCS51）通過編譯后，生成的邏輯符號如圖2所示。

　　CPLD使用EPM7128時(shí)鐘為16 MHz有源晶振，首先使用CLK對復(fù)位信號采樣，8051的復(fù)位信號要求是高電平維持2個(gè)機(jī)器周期，2個(gè)機(jī)器周期就是2×12=24個(gè)振蕩周期，對復(fù)位信號連續(xù)采樣10次，若是一直為高電平，就產(chǎn)生片內(nèi)復(fù)位使能信號。其他片內(nèi)寄存器以這個(gè)復(fù)位信號做同步復(fù)位，對WR，RD，ALE都做了采樣，避免毛刺干擾。

　　1.3 AD0809與CPLD／FPGA狀態(tài)機(jī)接口設(shè)計(jì)

　　1.3.1 AD0809狀態(tài)機(jī)功能設(shè)計(jì)

　　狀態(tài)機(jī)的最簡結(jié)構(gòu)一般由兩個(gè)進(jìn)程構(gòu)成，即主控時(shí)序進(jìn)程和主控組合進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程描述時(shí)序邏輯輸出，另一個(gè)進(jìn)程描述組合邏輯包括進(jìn)程間狀態(tài)值的傳遞邏輯以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換值的輸出。將AD0809與CPLD／FPGA的接口設(shè)計(jì)系統(tǒng)劃分為兩部分，即數(shù)據(jù)單元和控制單元。數(shù)據(jù)單元包括保存運(yùn)算數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)寄存器，也包括完成數(shù)據(jù)運(yùn)算的組合邏輯電路?？刂茊卧脕懋a(chǎn)生信號序列，以決定何時(shí)進(jìn)行何種數(shù)據(jù)運(yùn)算，控制單元要從數(shù)據(jù)單元得到條件信號，以決定繼續(xù)進(jìn)行那些數(shù)據(jù)運(yùn)算。數(shù)據(jù)單元要產(chǎn)生輸出信號、數(shù)據(jù)運(yùn)算狀態(tài)等有用信號。數(shù)據(jù)單元和控制單元中，有兩個(gè)非常重要的信號，即復(fù)位信號和時(shí)鐘信號。復(fù)位信號保證了系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定性，時(shí)鐘信號則是時(shí)序系統(tǒng)工作的必要條件。狀態(tài)機(jī)通常在復(fù)位信號到來的時(shí)候恢復(fù)到初始狀態(tài)，每個(gè)時(shí)鐘到來的時(shí)候內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化。從AD0809的初始狀態(tài)開始，也就是狀態(tài)機(jī)復(fù)位以后開始的狀態(tài)。在建立每個(gè)狀態(tài)時(shí)都寫出關(guān)于這個(gè)狀態(tài)的文字功能描述，AD0809狀態(tài)機(jī)功能描述與相應(yīng)引腳的取值如下：

　　S0態(tài)：初始狀態(tài)，選擇通道1的模擬信號輸入，ADDC=‘1’，ALE=START=OE=LOCK=‘0’；

　　S1態(tài)：通道鎖存狀態(tài)。ALE=‘1’，START=OE=LOCK=‘0’：

　　S2態(tài)：啟動A／D轉(zhuǎn)換狀態(tài)。ALE=‘1’，START=‘1’，OE=LOCK=‘0’；

　　S3態(tài)：A／D轉(zhuǎn)換等待狀態(tài)，ALE=START=‘0’，OE=LOCK=‘0’；

　　IF EOC=‘0’保持當(dāng)前狀態(tài)不變，繼續(xù)等待A／D轉(zhuǎn)換，ELSE轉(zhuǎn)換結(jié)束，進(jìn)入下一狀態(tài)；

　　S4態(tài)：數(shù)據(jù)輸出允許狀態(tài)，A／D轉(zhuǎn)換完畢，開啟數(shù)據(jù)輸出允許信號，ALE=‘0’，START’0’，OE=‘1’，LOCK=‘0’；

　　S5態(tài)：數(shù)據(jù)鎖存狀態(tài)，開啟數(shù)據(jù)鎖存信號，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送鎖存器鎖存，ALE=‘0’，START=‘0’，OE=‘1’，LOCK=‘0’；

　　S6態(tài)：延時(shí)狀態(tài)，為了保證數(shù)據(jù)可靠鎖存，延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘狀態(tài)周期；ALE=‘0’，START=‘0’，OE=‘1’，LOCK=‘1’；

　　其他狀態(tài)：返回到初始狀態(tài)，ALE=START=OE=LOCK=‘0’。

　　1.3.2 ADC0809狀態(tài)機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　ADC0809為單極性輸入，8位轉(zhuǎn)換精度逐次逼進(jìn)式A／D轉(zhuǎn)換器。其采樣速度為每次轉(zhuǎn)換約100μs。在轉(zhuǎn)換開始前由地址鎖存允許信號ALE將3位地址鎖入鎖存器中以確定轉(zhuǎn)換信號通道。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號，由低電平轉(zhuǎn)為高電平時(shí)指示轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)可讀入轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)。EOC在低電平時(shí)指示正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。START為轉(zhuǎn)換啟動信號，上升沿啟動。OE為數(shù)據(jù)輸出允許高電平有效。CLK為ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入端口500 kHz左右。為了達(dá)到A／D器件的最高轉(zhuǎn)換速度，A／D轉(zhuǎn)換控制器必須包含監(jiān)測EOC信號的邏輯，一旦EOC從低電平變?yōu)楦唠娖郊纯蓪E置為高電平，然后傳送或顯示已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)［D0．．D7］。狀態(tài)機(jī)由三個(gè)進(jìn)程組成ADC，AD_STATE和DATA_LOCK。ADC是此狀態(tài)機(jī)的主控組合邏輯進(jìn)程，確定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換方式和反饋控制信號的輸出工作過程中首先監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)位信號RST，當(dāng)其為高電平時(shí)使此進(jìn)程復(fù)位至初始態(tài)ST0。啟動A／D轉(zhuǎn)換信號START在狀態(tài)ST3搜索轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號EOC由0變1時(shí)即在狀態(tài)ST4開啟輸出。使能信號OE在下一狀態(tài)使LOCK產(chǎn)生一個(gè)上跳沿從而在此時(shí)啟動進(jìn)程DATA_LOCK將由0809轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)鎖進(jìn)鎖存器ADC_DATA。根據(jù)時(shí)序電路圖通過狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)程序完成與CPLD／FPGA芯片的連接。圖3為狀態(tài)機(jī)程序仿真結(jié)果。