利用CoolRunner-II CPLD設(shè)計(jì)GPS系統(tǒng)

GPS已在汽車、移動(dòng)電話、PDA甚至手表等越來(lái)越多的產(chǎn)品中出現(xiàn)。每家GPS供應(yīng)商都推出了數(shù)十種GPS產(chǎn)品，令消費(fèi)者不知如何選擇。

因此，產(chǎn)品的成功取決于差異化和專業(yè)化。Xilinx公司的CoolRunner-II CPLD是增加產(chǎn)品功能或與其它器件連接的理想芯片，能使GPS產(chǎn)品在不超出功耗預(yù)算的情況下從眾多同類產(chǎn)品中脫穎而出。

功耗優(yōu)勢(shì)

便攜式和儀表板式GPS設(shè)備都必須遵守嚴(yán)格的功耗預(yù)算。CoolRunner-II CPLD具有無(wú)需進(jìn)入休眠模式狀態(tài)即可達(dá)到極低功耗的優(yōu)勢(shì)。最小型CoolRunner-II器件的靜態(tài)供電電流只有13μA。在某些便攜式應(yīng)用中，具有一種休眠模式就足夠了，并且這些應(yīng)用可以接受數(shù)百毫秒的喚醒時(shí)間。

不過(guò)，在某些情況下會(huì)丟失當(dāng)前的設(shè)計(jì)狀態(tài)。當(dāng)采用休眠模式時(shí)，整個(gè)設(shè)備都處于關(guān)閉狀態(tài)。必須依靠另一器件來(lái)輪詢中斷并激活喚醒序列。CoolRunner-II器件通過(guò)DataGATE功能來(lái)提供一種可避免設(shè)計(jì)困難的獨(dú)特休眠模式，DataGATE是一種自含式、用戶可配置電路，允許用戶根據(jù)需要停用器件的某些部分。

通過(guò)啟用DataGATE功能，在幾個(gè)納秒內(nèi)即可關(guān)閉選定的任意輸入，從而將CPLD的功耗調(diào)節(jié)到更接近靜態(tài)功耗。該操作可以周期性地進(jìn)行(例如在輪詢到某個(gè)中斷時(shí))，也可根據(jù)特定的操作狀態(tài)進(jìn)行。這樣便可將CoolRunner-II器件的某些部分保持激活狀態(tài)，而將其余部分置于待機(jī)狀態(tài)。

下面舉個(gè)例子來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。CPLD位于微處理器、移動(dòng)SDRAM和SD Flash卡之間的地址和數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)在各器件之間移動(dòng)。CPLD監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)活躍性，并且根據(jù)特定功能阻斷數(shù)據(jù)流通。如果當(dāng)前任務(wù)是從微處理器向SD卡傳輸數(shù)據(jù)，則CPLD利用DataGATE功能阻斷往來(lái)于SDRAM的所有數(shù)據(jù)。

在CPLD內(nèi)部編寫(xiě)代碼即可解碼正在執(zhí)行的功能(通過(guò)監(jiān)視地址線或解析幀數(shù)據(jù))，然后開(kāi)啟/關(guān)閉所需的數(shù)據(jù)通路。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子，其它可編程邏輯器件(PLD)利用輸出三態(tài)可能難以實(shí)現(xiàn)。

DataGATE的優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)CPLD的輸入進(jìn)行有效的三態(tài)控制。由于CPLD的I/O以及內(nèi)核電路均處于靜態(tài)，因此能夠降低功耗，而其它解決方案則要求整個(gè)PLD都處于激活模式。

安全性優(yōu)勢(shì)

GPS系統(tǒng)的價(jià)位使其成為產(chǎn)品仿制時(shí)一個(gè)頗具吸引力的目標(biāo)。為了幫助防止仿制，可以利用CoolRunner-II CPLD的讀寫(xiě)保護(hù)安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)一種可防止通過(guò)過(guò)量生產(chǎn)進(jìn)行仿制的安全系統(tǒng)。過(guò)量生產(chǎn)是指簽約制造商針對(duì)指定的生產(chǎn)批次過(guò)量訂購(gòu)元件，然后過(guò)量生產(chǎn)與正版完全相同的產(chǎn)品。

讀寫(xiě)保護(hù)安全機(jī)制的原理是系統(tǒng)必需與CPLD進(jìn)行交互操作以執(zhí)行所需功能。有多種方法可以實(shí)現(xiàn)這種安全機(jī)制。最直接的解決方案是讓CPLD充當(dāng)數(shù)據(jù)通信警察，指揮數(shù)據(jù)在電路板上的各個(gè)器件之間傳輸。

一種較復(fù)雜的解決方案需利用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)密碼阻斷功能。這種方法是讓微處理器提交一串隨機(jī)數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流經(jīng)CoolRunner-II器件加密后返回。然后將此數(shù)據(jù)解密并對(duì)照原始數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

CoolRunner-II CPLD的安全機(jī)制是通過(guò)多個(gè)編程位實(shí)現(xiàn)的，因此，如果想確定哪些位與安全機(jī)制相關(guān)，就必須從非易失性陣列內(nèi)的數(shù)萬(wàn)位中找出并使這些位失效。CoolRunner-II CPLD的讀寫(xiě)安全機(jī)制可阻止對(duì)原型進(jìn)行回讀和編程。因此，該器件既不允許提取已編程的JEDEC文件的內(nèi)容，也不允許用修改的代碼覆蓋原型代碼。要對(duì)器件重新編程，必須先擦除整個(gè)器件中的代碼，而這樣做會(huì)丟失設(shè)計(jì)信息。

在所有這些流程中，一個(gè)關(guān)鍵因素是必須由有信譽(yù)的廠商(Xilinx或授權(quán)的Xilinx分銷商)向簽約制造商提供預(yù)編程的CPLD。這樣做可以防止過(guò)量生產(chǎn)，因?yàn)閮H通過(guò)多訂購(gòu)空白CPLD而無(wú)法訪問(wèn)編程文件是無(wú)法生產(chǎn)出產(chǎn)品的。

實(shí)現(xiàn)GPS設(shè)備的產(chǎn)品差異性

最初的消費(fèi)型GPS設(shè)備十分簡(jiǎn)單，僅以經(jīng)緯度的形式給出位置信息?，F(xiàn)在的GPS設(shè)備不僅能提供實(shí)時(shí)地圖和方向，而且還具有MP3播放或通過(guò)藍(lán)牙與移動(dòng)電話集成等功能。此外，還有面向特定市場(chǎng)的功能各異的GPS系統(tǒng)，例如為車載導(dǎo)航提供即時(shí)交通信息、供長(zhǎng)跑或自行車運(yùn)動(dòng)員用來(lái)測(cè)速的超小型設(shè)備以及供釣魚(yú)者使用的帶聲納的設(shè)備，甚至還有用于監(jiān)視家養(yǎng)寵物的帶GPS功能的項(xiàng)圏。

每種產(chǎn)品都需要可連接不同設(shè)備的接口，這正是CoolRunner-II CPLD的優(yōu)勢(shì)所在。下面介紹CoolRunner-II CPLD的一些用途。如圖所示是Xilinx CPLD為GPS應(yīng)用提供的一些增強(qiáng)功能。

1. SD卡接口

SD存儲(chǔ)器(有小型SD和微型SD等多種物理格式)接口已經(jīng)從幾年前相互競(jìng)爭(zhēng)的各種存儲(chǔ)器接口中分劃出來(lái)。盡管MMC和Compact Flash等其它接口仍然在使用，但所占的市場(chǎng)份額很小。Flash卡主要用于具有圖片或MP3播放功能的產(chǎn)品，而這兩種功能在GPS手持設(shè)備中已日趨普遍。

2. 移動(dòng)SDRAM接口

通過(guò)將CPLD用作存儲(chǔ)器接口，可以簡(jiǎn)化微處理器的代碼。如果高端機(jī)型需要多個(gè)存儲(chǔ)器模塊但低端產(chǎn)品不需要，則可修改CPLD代碼而不必更換微處理器。

3. 電平轉(zhuǎn)換

在進(jìn)入較新的消費(fèi)領(lǐng)域時(shí)，GPS需要連接尚未針對(duì)低電壓工作優(yōu)化的元件。CoolRunner-II CPLD至少具有兩個(gè)I/O塊(在大型器件中增加到四個(gè)I/O塊），可輕松實(shí)現(xiàn)多電壓接口。支持的電壓標(biāo)準(zhǔn)包括1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、SSTL2-1、SSTL3-1和HSTL-1。5V接口需要利用外部電路進(jìn)行支持。

4. 鍵盤(pán)掃描儀

許多低端GPS機(jī)型由于成本或尺寸的限制而不能采用觸摸屏接口。甚至在昂貴的機(jī)型中，也會(huì)有幾個(gè)用于電源或音量控制等特定功能的按鈕。某些鍵盤(pán)或按鈕接口被用于大多數(shù)機(jī)型。這是CoolRunner-II CPLD的理想用法，因?yàn)镃PLD在用戶不操作時(shí)保持靜態(tài)，并且能夠立即響應(yīng)用戶的按鍵操作而無(wú)需從休眠模式中喚醒。此外，還可以將其設(shè)計(jì)成先驗(yàn)證用戶數(shù)據(jù)，然后再喚醒系統(tǒng)其余部分。

例如，許多移動(dòng)電話需要連續(xù)按兩個(gè)鍵才能喚醒，以避免意外按鍵操作。

5. 微處理器接口

CoolRunner-II CPLD的常見(jiàn)用途是端口擴(kuò)展。許多微處理器沒(méi)有為必須與其通信的眾多器件提供足夠的I/O。CoolRunner-II CPLD允許產(chǎn)品的平臺(tái)設(shè)計(jì)無(wú)需改變內(nèi)核處理器就可以增加和變更模塊。

6. 串行外設(shè)接口(SPI)

SPI是一種常見(jiàn)接口，可用于包括Flash存儲(chǔ)芯片、LCD、觸摸屏和溫度傳感器在內(nèi)的多種外設(shè)。這種接口的廣泛使用可歸因于它是一種簡(jiǎn)單的四線接口，并且能通過(guò)I²C或SMBus提升吞吐量。

本文小結(jié)

Xilinx CoolRunner-II CPLD在降低功耗、提高安全性以及為現(xiàn)今的GPS系統(tǒng)提供連接方案等方面都極具優(yōu)勢(shì)。借助Xilinx的各種小型封裝，這些器件可用于移動(dòng)電話、寵物項(xiàng)圈和手表等極小型便攜式設(shè)備。在汽車鑰匙里嵌入GPS或許也已指日可待。

作者：Arthur Yang
小批量部技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理
Email：arthur.yang@xilinx.com
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