用DSP實(shí)現(xiàn)CPLD多方案現(xiàn)場可編程配置

1 總體描述
    系統(tǒng)中的DSP采用TI公司的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C5402。它采用4總線4級(jí)流水線的增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，處理速度為100MIPS；具有片內(nèi)4K×16位的ROM和16K×16位的DARAM， 2個(gè)多通道緩沖串行口(McBSP)，1個(gè)直接存儲(chǔ)控制器(DMA)等片內(nèi)外圍電路；外部可擴(kuò)展至1M×16位存儲(chǔ)空間，芯片采用3.3V電源電壓。
    TMS320C5402的多通道緩沖串行口(multi-channel buffercd scrial port)具備標(biāo)準(zhǔn)串行口的所有功能，可設(shè)定收發(fā)數(shù)據(jù)格式(8位~32位)；在8位不擴(kuò)展模式下，可選擇高位(MSB)先送或低位(LSB)先送。直接存儲(chǔ)控制器(DMA)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在串行口McBSP和內(nèi)部DARAM間的直接交換， 提高工作效率， 節(jié)省運(yùn)行時(shí)間。
    CPLD采用Altera公司FLEX10K系列的EPFl0KIOA7C144-1?？捎觅Y源有576個(gè)邏輯單元(LE)、72個(gè)邏輯陣列塊(LAB)、3個(gè)嵌入式陣列塊(EAB)和102個(gè)I／O引腳，電源電壓為3.3V。
    FLEX1OK的配置由Altera的專用串行配置PROM(EPCI)或系統(tǒng)控制器提供的數(shù)據(jù)宋完成，也由編程硬件通過下載電纜(BytcBlastcrMV)進(jìn)行在線配置。依據(jù)控制配置過程的器件不同， 可將配置分為主動(dòng)配置和被動(dòng)配置兩類；依據(jù)配置數(shù)據(jù)流的格式不同， 可將配置分為串行配置和并行配置兩類。本文采用的是在微處理器控制下的被動(dòng)串行配置(passivc serial)模式。配置連接示意如圖1所示。

    其中，DSP的XF作為輸出控制CPLD的nCONFIG，INTO和INT1作為輸入監(jiān)控CPLD的nSTATUS和1NT DONE，緩沖串行口的BCLKX0和BDX0分別接CPLD的DCLK和DATA0，BCLKR0 作為輸入端檢測CONF DONE的信號(hào)。TMS320C5402和EPFl0KIOATC144-1都采用3.3V電源電壓。

2 配置數(shù)據(jù)的獲取和存儲(chǔ)
    對(duì)CPLD的配置設(shè)計(jì)完成以后，MAX+PLUS II的編譯器在編譯過程中自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)存儲(chǔ)器目標(biāo)文件(*.sof)。它包括一個(gè)專用數(shù)據(jù)頭和二進(jìn)制配置數(shù)據(jù)， 供下載電纜(BvtcBlastcrMV)對(duì)器件進(jìn)行被動(dòng)申行配置時(shí)使用。在存儲(chǔ)器目標(biāo)文件(*.sof)的基礎(chǔ)上，可以生成其它類型配置文件。我們所用到的是十六進(jìn)制文件(*.hex)，是ASCII形式的配置數(shù)據(jù)文件。使用MAX+PLUSII生成十六進(jìn)制文圖2十六進(jìn)制文件(*.hex)的生成過程件(*hex)的過程，如圖2所示。

    ①完成編譯之后，從“FILE”菜單中選擇“ConvertSRAM Object Files|…”(圖中a)；
    ②選擇相應(yīng)的配置文件*.sof(圖中b)；
    ③設(shè)定輸出文件格式為.hex(圖中c)；
    ④選擇對(duì)應(yīng)輸出文件·．hex(圖中d)；
    ⑤點(diǎn)擊“OK”確認(rèn)(圖中e)。
    然后，在MAx+PLUSII環(huán)境下打開生成的十六進(jìn)制文件(*.hex)，便可獲取到ASCIl格式的配置數(shù)據(jù)。將配置數(shù)據(jù)通過DSP的開發(fā)軟件轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過DSP存入其外部大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(flash memory)中。
    EPF10K10ATCl44_1的二進(jìn)制配置數(shù)據(jù)大小約為120000位，即14.6KB。TMS320C5402的內(nèi)部DARAM為16K×16位，外部存儲(chǔ)空間為lM×1 6位，故可存儲(chǔ)數(shù)十個(gè)配置文件。

3 對(duì)CPLD多方案現(xiàn)場可編程配置的實(shí)現(xiàn)
    在DSP的控制下，將所需配置方案的配置數(shù)據(jù)，采用被動(dòng)串行配置方式完成cPLD的配置。
3.1 引腳描述與配置時(shí)序
    FLExlOK的引腳及功能如下：
    MSELO、MSEL1一配置方式選擇端；
    nSTATus一器件的狀態(tài)輸出端，器件配置發(fā)生問題時(shí)被拉低，漏極開路；
    nCONFIG一配置控制輸入端，低電平復(fù)位器件，上升沿跳變啟動(dòng)配置，漏極開路；
    CONF一DONE一狀態(tài)輸出端，配置時(shí)為低，配置數(shù)據(jù)接收完畢后釋放，漏極開路；
    1NT—DONE一狀態(tài)指示端，配置時(shí)為低，配置數(shù)據(jù)初始化完成后釋放，漏極開路；
    DCLK一配置時(shí)鐘信號(hào)端；
    DATA0——配置數(shù)據(jù)輸入端。
    被動(dòng)串行配置(PS模式)的時(shí)序如圖3所示。

    圖3中關(guān)鍵的時(shí)序參數(shù)如表1所列。

3.2配置過程描述
    參照被動(dòng)串行配置時(shí)序，DSP控制下CPLD現(xiàn)場配置的實(shí)現(xiàn)過程如下所述。
    首先，DSP將一個(gè)方案的配置數(shù)據(jù)從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀入內(nèi)部DARAM。然后，在DCONFIG上產(chǎn)生一個(gè)由低到高的跳變，使CPLD進(jìn)入配置狀態(tài)，等待CPLD釋放nSTATUS。nSTATuS變高之后，通過McBSP在時(shí)鐘(DCLK)上升沿將配置數(shù)據(jù)逐位送到DATA0上，時(shí)鐘(DCLK)頻率選為10MHz。因?yàn)榕渲靡竺孔止?jié)數(shù)據(jù)的最低位(LSB)先送出，故在初始化McBSP時(shí)，設(shè)定發(fā)送控制寄存器(XCRl和XCR2)，使McBSP工作于8位不擴(kuò)展傳送模式和低位(LsB)先發(fā)模式，DMA完成數(shù)據(jù)從DARAM到McBSP口的直接傳送。CPLD接收完所有配置數(shù)據(jù)(120 000字節(jié))后，會(huì)釋放CONF_DONE，變成高電平，之后DSP仍須在DCLK上輸出脈沖來初始化CPLD器件，直到INT_DONE被釋放變成高電平，表示CPLD器件初始化完畢，進(jìn)入用戶狀態(tài)，配置過程結(jié)束。在配置的過程中，沒有握手信號(hào)。一旦CPLD檢測到出錯(cuò)，會(huì)將nSTATus拉低，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生DSP外部中斷。DSP響應(yīng)中斷后，在nCONFIG上產(chǎn)生一個(gè)由低到高的跳變，重新開始配置，或者DSP檢測到配置出錯(cuò)，也要強(qiáng)制重新開始配置。
    配置結(jié)束后，DSP和CPLD將工作于該方案模式下。當(dāng)需要進(jìn)入其它方案模式時(shí)，DSP按照需求讀入新的配置方案數(shù)據(jù)，對(duì)CPLD重新進(jìn)行配置。由于DSP的高處理速度(100MIPS)和配置時(shí)鐘的高頻率(10MHz)，使得CPLD的配置時(shí)間小于20ms，因此可以快速、靈活地實(shí)現(xiàn)各配置方案間的現(xiàn)場實(shí)時(shí)切換。 

結(jié)語 
    在繼電保護(hù)測試裝置中，要求測試端的輸入輸出特性隨被測試線圈阻抗的變化而改變。CPLD作為測試端的核心器件，基于DSP實(shí)現(xiàn)其多方案現(xiàn)場可編程配置，實(shí)現(xiàn)了多種類型繼電保護(hù)裝置通用測試器的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的思路及方法也適用于其它DSP+CPLD／FPGA或MCU+CPLD/FPGA系統(tǒng)。利用系統(tǒng)中現(xiàn)有的DSP／MCU和大容量通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，省去專用的配置PROM，方便靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)CPLD的現(xiàn)場可編程配置。