基于AT89S52單片機及CPLD的多間隔脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計

單片機具有邏輯控制功能靈活的特點，復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)具有集成度高、可靠性好及工作速度快的優(yōu)點，基于二者各自的優(yōu)點，設(shè)計了一種脈寬固定為1 μs，周期可調(diào)的單頭、雙頭、三頭三路脈沖產(chǎn)生電路，該脈沖發(fā)生器可實現(xiàn)在脈沖不間斷的情況下改變周期，其波形要求精度高、漂移小、抗干擾能力強。

脈沖信號發(fā)生電路在電路實驗和設(shè)備檢測等工程中具有十分廣泛的用途，例如某測試系統(tǒng)，需要給被測產(chǎn)品加入可調(diào)的多間隔脈沖激勵信號，以使被測產(chǎn)品能按照要求工作在不同的狀態(tài)。隨著各種數(shù)字設(shè)備和工業(yè)標準持續(xù)、快速的發(fā)展以及市場對縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的客觀要求，脈沖信號發(fā)生電路已成為信號源市場的一大主流，其市場份額在迅速增長；同時，目前國內(nèi)在測試中使用的脈沖發(fā)生電路幾乎全部依賴進口。因此，研制出具有實用價值的脈沖發(fā)生電路，對滿足國內(nèi)、國際市場的需求具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)設(shè)計思想
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，單片機AT89S52和CPLD是整個系統(tǒng)的CPU，控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。首先通過4x4按鍵模塊設(shè)置系統(tǒng)脈沖信號的周期，選擇脈沖輸出方式，并給出狀態(tài)指示；CPLD接收輸入信號后與單片機進行數(shù)據(jù)通信，并將脈沖信號周期通過LCD1602顯示，然后經(jīng)過單片機和CPLD的數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生所需的脈沖信號，由CPLD輸出。其中狀態(tài)指示由3個不同顏色(紅、綠、黃)的發(fā)光二極管給出，其電平由CPLD的I／0口輸出；4x4按鍵模塊鍵盤的前10個鍵位為數(shù)字0～9、第11個為小數(shù)點、第12到第14個為脈沖選擇鍵A1，A2，A3用于選擇輸出方式(單頭、雙頭、三頭)，另加一個確認鍵。

1．2 AT89S52單片機簡介

AT89S52是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8 k字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，AT89S52擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。

AT89S52具有以下標準功能：8 k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I／O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器／計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器／計數(shù)器、串口中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。

1．3 EPM7128SLC84的特點

EPM7128SLC84是ALTEra公司開發(fā)的CPLD器件，屬于MAX 7000S系列。在高集成度PLD器件中，MAX7000S系列是速度最快的類型之一，它內(nèi)部為第二代MAX(MultipleArray Matrix)結(jié)構(gòu)。除了集成度高的優(yōu)點外，器件內(nèi)部單元(cell)之間的連接采用連續(xù)的金屬線，這種互連結(jié)構(gòu)為單元之間提供了固定的、短時延的信號通道，從而消除了內(nèi)部延時的難以預(yù)測性，并有效地提高了芯片資源的利用效率。

EPM7128SLC84是基于EEPROM的可編程CMOS器件，其主要性能指標為：外部引腳數(shù)目為84，內(nèi)部等效門數(shù)為2 500左右；內(nèi)部有128個邏輯宏單元(Maerocell)，每16個宏單元組成一個邏輯陣列塊(LAB)，每個邏輯陣列塊對應(yīng)8個I／O引腳；除通用I／O引腳外，EPM7128SLC84有兩個全局時鐘、一個全局使能和一個全局清零輸入；器件最高計數(shù)頻率為151．5 MHz，內(nèi)部互連延時為1ns。

EPM7128SLC84的主要特點為：支持通過JTAG口進行5 V電壓的在片編程；宏單元的工作速率和功耗可編程選擇，用戶可決定每一個宏單元的工作模式——選擇一般模式或是節(jié)能模式(功耗降低50％或更多，但延時加大)；宏單元的觸發(fā)器有獨立的清零、預(yù)置、時鐘和時鐘使能控制，可通過編程進行設(shè)置；器件的引腳輸出可設(shè)置，有以下3種選項：1)多電平I／O接口，通過硬件設(shè)置可使引腳輸出支持5 V或3．3 V兩種電平；2)輸出回轉(zhuǎn)速率(Slew-Rate)控制，用戶可決定每一I／O引腳的輸出回轉(zhuǎn)速率，大回轉(zhuǎn)速率縮小了信號通道的延時，但有可能加大瞬態(tài)躁聲；3)集電極開路選擇。具有一個完善、友好的軟件環(huán)境支持器件開發(fā)，Ahera公司的EDA軟件MAX+PlusⅡ集成了設(shè)計文件編輯、編譯、仿真、時序分析和器件編程等各項功能，并能直接控制器件內(nèi)部宏單元或輸出引腳的設(shè)置；Altera的硬件描述語言AHDL與CPLD硬件結(jié)合緊密，并且提供優(yōu)化的Megafunetion函數(shù)庫，支持靈活地描述各類常用復(fù)雜電路，如計數(shù)器、鎖相環(huán)等。

2 硬件電路設(shè)計

2．1單片機電路設(shè)計

單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，除了進入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。所以系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準確、可靠地工作。單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖(即2個機器周期)以上的高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，系統(tǒng)采用按鍵電平復(fù)位方式。

單片機AT89S52的P1口與液晶顯示模塊LCD1602的數(shù)據(jù)端口相連，P3．2控制液晶模塊的讀寫；對比度調(diào)整端連接一個10 kΩ的可調(diào)電阻，用來調(diào)整液晶顯示亮度。另外，單片機的P2口與CPLD的8個I／O口相連，以進行數(shù)據(jù)傳輸，其電路設(shè)計如圖2所示。

2．2 CPLD電路設(shè)計

晶振是為處理器提供頻率基準的元器件，屬于系統(tǒng)不可或缺的一部分。通常分為有源晶振和無源晶振兩個大類，無源晶振要求芯片內(nèi)部有震蕩器，并且其信號電壓根據(jù)起振電路而定，允許不同的電壓，但無源晶振通常信號質(zhì)量和精度較差，需要精確的匹配外圍電路，如需更換晶振要同時更換外圍電路。有源晶振不需要芯片的內(nèi)部振蕩器，可以提供高精度的頻率基準，信號質(zhì)量也較無源晶振要好。

EPM7128SLC84需要提供外部時鐘信號，由于CPLD對時鐘精度要求甚高，通過前面的分析可知有源晶振的通信質(zhì)量和精度較無源晶振高，所以采用1．000 MHz的有源晶體振蕩器，電路的輸出端口與處理器EPM7128SLC84的GCKL1連接，其具體電路設(shè)計如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機采用AT89S52芯片，通過軟件編程產(chǎn)生所要求的控制信號。主要的控制參數(shù)包括：信號周期、脈寬、分頻電路的開始信號、地址發(fā)生器的復(fù)位信號。在MAX+PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境中完成分頻電路設(shè)計，可以省去大部分的中小規(guī)模集成電路和分離元件；使得電路具有集成度高、工作速度快、編程方便、價格低廉的顯著優(yōu)點。通過CPLD和數(shù)據(jù)預(yù)生成的信號實現(xiàn)方法，無需改變硬件電路，即可實現(xiàn)信號參數(shù)的任意調(diào)整；同時外圍電路十分簡單，為工程調(diào)試和應(yīng)用帶來了方便。其中波形仿真圖如圖4所示。

4 結(jié)論

所設(shè)計的脈沖信號發(fā)生器，充分利用了單片機及CPLD二者的優(yōu)點，通過軟件和硬件的結(jié)合，能夠產(chǎn)生脈寬固定1μs，周期可調(diào)的單頭、雙頭、三頭脈沖，達到了設(shè)計要求，既可以作為普通脈沖信號源使用，也可以在一些特殊信號的條件下使用。