CPLD在多路高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
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關(guān)鍵詞：VHDL CPLD 高速同步數(shù)/模轉(zhuǎn)換 容錯(cuò)和自檢 并行接口 移植性
引言
CPLD(Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件)是在傳統(tǒng)的PAL、GAL基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，具有多種工作方式和高集成、高速、高可靠性等明顯的特點(diǎn)，在超高速領(lǐng)域和實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣泛的應(yīng)用。與FPGA相比，CPLD比較適合計(jì)算機(jī)總線控制、地址譯碼、復(fù)雜狀態(tài)機(jī)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)控制器等I/O密集型應(yīng)用，且無(wú)須外部配置ROM、時(shí)延可預(yù)測(cè)等。目前的CPLD普遍基于E2PROM和Flash電可擦技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)100次以上擦寫(xiě)循環(huán)。部分CPLD支持ISP編程或者配置有JTAG口，對(duì)于批量小、品種多的模板開(kāi)發(fā)極為有利。而用VHDL設(shè)計(jì)的程序，借助EDA工具可以行為仿真、功能仿真和時(shí)序仿真，最后通過(guò)綜合工具產(chǎn)生網(wǎng)表，下載到目標(biāo)器件，從而生成硬件電路。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及框圖
以Altera公司7000S系列CPLD產(chǎn)品之一EPM7128S-10為控制核心，控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最多可完成32路模擬數(shù)據(jù)的16位高速同步A/D轉(zhuǎn)換。
圖1為與A/D轉(zhuǎn)換電路相關(guān)的系統(tǒng)外圍電路框圖。外部32路模擬輸入通過(guò)調(diào)理電路后，CPLD控制多路切換器選通某一路信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器（AD676）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)緩沖在合適的時(shí)候通過(guò)總線被讀入處理器。一般的設(shè)計(jì)思路如下：①主處理器直接控制A/D轉(zhuǎn)換電路，完成模擬輸入信號(hào)的采集保持、A/D轉(zhuǎn)換器的控制、通道的切換、數(shù)據(jù)的讀取以及控制注入信號(hào)完成模擬通道的自檢等。這種解決方案占用主處理器大量的I/O資源和處理時(shí)間，在高速采集與大計(jì)算量的時(shí)實(shí)系統(tǒng)中是不可取的：一方面因?yàn)樘幚砥鞯腎/O資源極其有限，同時(shí)又要求大量的匯編軟件配合，不利于設(shè)計(jì)的移植；另一方面由于頻繁地執(zhí)行I/O操作完成相對(duì)定時(shí)關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，不利于系統(tǒng)調(diào)度軟件的設(shè)計(jì)的其它軟件模塊的時(shí)實(shí)執(zhí)行，由于此段I/O操作類(lèi)似于原子操作，很難解決其它模塊響應(yīng)時(shí)間可能較長(zhǎng)的矛盾。②采用其它廉價(jià)的從處理器，如MCS-51單片機(jī)來(lái)控制上述過(guò)程，使之與主處理器并行化。但此時(shí)從處理器與主處理器之間的高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換就成為瓶頸，而且由于MCS-51單片機(jī)亦為軟件化流程控制，存在跑飛的可能，兩處理器的同步又成為新的問(wèn)題。應(yīng)用CPLD器件就可以很好地解決上述矛盾，實(shí)現(xiàn)配置隨意可改寫(xiě)和高速硬件流控制等。隨著ISP器件的發(fā)展，CPLD已經(jīng)日益廣泛地應(yīng)用到高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，但都是很考慮設(shè)計(jì)本身的容錯(cuò)、自檢能力和使用的靈活性，不利于故障的定位和嵌入式應(yīng)用的移植。本設(shè)計(jì)中采用CPLD作為A/D轉(zhuǎn)換電路的控制器，和主處理器并行交互數(shù)據(jù)，很好地解決了上述矛盾。
為突出重點(diǎn)，EPM7128S、AD676、LF398等器件的簡(jiǎn)介此處不作介紹，僅列出AD676的控制時(shí)序，如圖2所示。
圖2
多路模擬信號(hào)的同步采樣一般有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種為多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；另一種為僅有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，各通道同時(shí)采樣，然后分時(shí)轉(zhuǎn)換?？紤]到16位高速A/D轉(zhuǎn)換器AD676的價(jià)格因素，采用后一種方案。AD676有三個(gè)控制信號(hào)：SAMPLE、AD-CLK、CAL。它們需要一定的時(shí)序配合才能正常工作，如圖2所示。由于AD676的轉(zhuǎn)換結(jié)果不具備三態(tài)輸出功能，所以需增加74F574和總線進(jìn)行隔離，為此配置控制信號(hào)WRAD、RDAD；同時(shí)要考慮到32路模擬信號(hào)的采樣保持控制S/H、多路切換器的控制信號(hào)M1A4~M1A0，以及輸入模擬信號(hào)選擇M0A1~M1A0、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)INT1等共14個(gè)。CPLD和處理器采用并行接口，因此其輸入信號(hào)有：系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)RST、處理器的讀/寫(xiě)信號(hào)RD/WR、片選信號(hào)IOSTROBE、外部時(shí)鐘輸入CLK、輔助地址信號(hào)A20~A17和A5~A0、AD676的反饋輸入BUSY，共22個(gè)輸入。外加雙向數(shù)據(jù)總線D07~D00。設(shè)計(jì)中沒(méi)有將總線隔離器74F574集成到CPLD中，主要考慮到保留適當(dāng)?shù)腎/O等資源用于系統(tǒng)的地址譯碼和其它輔助功能。地址譯碼等輔助模塊比較簡(jiǎn)單且與特定的處理器相關(guān)，故此處不作介紹。
雖然有復(fù)位默認(rèn)值，但CPLD為靈活控制多路模擬量的同步A/D轉(zhuǎn)換，要求處理器正確設(shè)置兩個(gè)控制參數(shù)，即進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換的模擬量通道的總個(gè)數(shù)SUM和數(shù)/模轉(zhuǎn)換的初始通道號(hào)chan；然后再對(duì)CPLD寫(xiě)入啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換命令，這樣CPLD即可脫離處理器，控制A/D轉(zhuǎn)換電路。CPLD首先按照LF398的時(shí)序要求產(chǎn)生其所需的采樣保持信號(hào)S/H完成32路模擬量的同步采樣，然后按照?qǐng)D2所示的通常轉(zhuǎn)換時(shí)序控制AD676去完成一次轉(zhuǎn)換。一旦該次轉(zhuǎn)換完成，使能WRAD信號(hào)，鎖存轉(zhuǎn)換結(jié)果到74F574，并發(fā)出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)INT1，同時(shí)標(biāo)識(shí)內(nèi)部狀態(tài)信號(hào)，作為中斷請(qǐng)求通知處理器，或者供處理器查詢(xún)狀態(tài)。CPLD將一直等待處理器將該次轉(zhuǎn)換結(jié)果取走才取消此標(biāo)示信號(hào)。在CPLD等待的過(guò)程中，處理器亦可命令CPLD提前結(jié)束轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。轉(zhuǎn)換結(jié)果取走后，CPLD清除內(nèi)部的標(biāo)識(shí)信號(hào)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)，SUM的映像減1，若不為0，chan的映像加1，輸出到M1A[4..0]去切換至下一通道，繼續(xù)按照?qǐng)D2所示的通常轉(zhuǎn)換時(shí)序工作；若為0，則該次采樣轉(zhuǎn)換完成，等待處理器的下一次啟動(dòng)信號(hào)。這樣，只占用了處理器的一個(gè)中斷請(qǐng)求資源和少數(shù)外部空間，就實(shí)現(xiàn)了最多至32路模擬信號(hào)的同步高速數(shù)模轉(zhuǎn)換。為使設(shè)計(jì)具有一定的容錯(cuò)功能，在A/D轉(zhuǎn)換器空閑時(shí)，處理器才可以啟動(dòng)A/D自校準(zhǔn)測(cè)試，但此時(shí)CPLD應(yīng)該防止處理器誤啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器空閑或者A/D自校準(zhǔn)已經(jīng)結(jié)束時(shí)，處理器才可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換工作。同樣，此時(shí)CPLD應(yīng)該防止處理器誤啟動(dòng)A/D自校準(zhǔn)。為使CPLD能支持處理器的檢錯(cuò)功能3，應(yīng)該使CPLD以及A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信息可以被處理器隨時(shí)讀取，以便在系統(tǒng)級(jí)上定位故障。同時(shí)，CPLD可以選擇調(diào)理電路的模擬輸入信號(hào)源，便于處理器檢測(cè)調(diào)理電路。
圖3
為達(dá)到以上的功能，在設(shè)計(jì)中主要設(shè)置了四大功能模塊，分別為時(shí)鐘分頻模塊、控制譯碼模塊、總線接口模塊、狀態(tài)機(jī)模塊，設(shè)計(jì)原理如釁3所示。時(shí)鐘分頻模塊用于產(chǎn)生AD767的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，達(dá)到高速和簡(jiǎn)化的目的，此模塊的分頻系數(shù)由設(shè)計(jì)固化?？刂菩盘?hào)譯碼模塊用于完成處理器對(duì)CPLD片內(nèi)模塊的尋址和譯碼，為一簡(jiǎn)單譯碼邏輯和觸發(fā)電路?？偩€接口模塊用于完成處理器和A/D轉(zhuǎn)換控制器的數(shù)據(jù)交換；同時(shí)完成AD767的自校準(zhǔn)信號(hào)CAL的控制，如圖2所示的自校準(zhǔn)時(shí)序。需要注意一點(diǎn)的是，在自校準(zhǔn)的過(guò)程中，SAMPLE信號(hào)必須保持低電平，否則出錯(cuò)。狀態(tài)機(jī)模塊用于產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序，如圖2所示的通常轉(zhuǎn)換時(shí)序。在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，CAL信號(hào)必須保持低電平，否則出錯(cuò)；狀態(tài)機(jī)模塊同時(shí)完成對(duì)多路切換器的控制。圖2所示的各信號(hào)的相對(duì)定時(shí)關(guān)系此處不作說(shuō)明，請(qǐng)查閱AD676的數(shù)據(jù)手冊(cè)。
為達(dá)到圖2所示SAMPLE、CAL時(shí)序的相互閉鎖關(guān)系，從狀態(tài)機(jī)模塊引出其內(nèi)部狀態(tài)信號(hào)到總線接口模塊，一方面，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)可以隨時(shí)被處理器感知；另一方面用于閉鎖CAL信號(hào)，即閉鎖自校準(zhǔn)。詳細(xì)地說(shuō)，就是在A/D轉(zhuǎn)換期間，在圖2所示的通常轉(zhuǎn)換時(shí)序中，從SAMPLE變高到BUSY信號(hào)再次變低以前，即使處理器再次寫(xiě)入了啟動(dòng)自校準(zhǔn)命令，CPLD亦閉鎖CAL信號(hào)的產(chǎn)生。為便于安全啟動(dòng)CAL信號(hào)，在本次轉(zhuǎn)換完成或全部轉(zhuǎn)換完成時(shí)，滿(mǎn)足一定的相對(duì)時(shí)序即可啟動(dòng)。同理，將總線接口模塊內(nèi)控制CAL信號(hào)的狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)引入狀態(tài)機(jī)模塊，用于在自校準(zhǔn)期間，閉鎖SAMPLE信號(hào)的產(chǎn)生，即閉鎖處理器啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的命令。這樣，A/D轉(zhuǎn)換控制器就具有很好的容錯(cuò)能力。無(wú)論何時(shí)，處理器都可以通過(guò)讀取SAMPLE、CAL、BUSY、中斷請(qǐng)求、狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，來(lái)監(jiān)測(cè)CPLD、AD676等的工作和判斷損壞與否。通過(guò)處理器的配合就使CPLD支持系統(tǒng)的在線自檢，解決了以往類(lèi)似設(shè)計(jì)中存在錯(cuò)誤而處理器又無(wú)法進(jìn)行故障定位的問(wèn)題。
圖4
2 系統(tǒng)仿真和驗(yàn)證
以上設(shè)計(jì)用VHDL語(yǔ)言描述完成后，首先在ACTIVE-HDL5.1環(huán)境下進(jìn)行編譯、綜合、適配后再時(shí)序仿真；但這只是純邏輯驗(yàn)證，此時(shí)時(shí)序仿真圖中沒(méi)有包含任何硬件延遲信息。結(jié)果正確后，在MAX+PLUSII 10.0環(huán)境下進(jìn)行編譯、綜合、適配后，再進(jìn)行時(shí)序仿真驗(yàn)證。由于考慮了硬件因素，選擇MAX7000S系列的EPM7128STC100-10器件后，該器件的擺率位Turbo bit必須選中，否則在高速時(shí)鐘輸入時(shí)，MAXPLUS的仿真結(jié)果不正確。圖4即為在MAXPLUS下的時(shí)序仿真結(jié)果，模擬40 MHz的CPLD時(shí)鐘輸入和主處理器50ns的外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)周期，可以達(dá)到AD676的最快轉(zhuǎn)換速度。實(shí)際電路也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
考慮到CPLD也完成系統(tǒng)的一部分譯碼功能，此時(shí)，MAXPLUS所產(chǎn)生的報(bào)告文件表明資源利用情況，如表1所列。在文章的最后詳細(xì)給出了狀態(tài)機(jī)模塊的時(shí)序電路的VHDL設(shè)計(jì)程序。
表1
| 邏輯陣列塊 | 邏輯單元 | I/O引腳 | 共享擴(kuò)展項(xiàng) | 外部互連 |
| A：LC1-LC16 | 8/16(50%) | 10/10（100%） | 8/16(50%) | 27/36(75%) |
| B:LC17-LC32 | 16/16(100%) | 10/10(100%) | 15/16(93%) | 23/36(63%) |
| C:LC33-LC48 | 16/16(100%) | 8/10(80%) | 14/16(87%) | 21/36(58%) |
| D:LC49-LC64 | 15/16(93%) | 7/10(70%) | 6/16(37%) | 29/36(80%) |
| E:LC65-LC80 | 16/16(100%) | 0/10(0%) | 0/16(0%) | 23/36(63%) |
| F:LC81-LC9 | 16/16(100%) | 10/10(100%) | 16/16(100%) | 31/36(86%) |
| G:LC97-LC112 | 15/16(93%) | 9/10(90%) | 5/16(31%) | 28/36(77%) |
| H:LC113-LC128 | 16/16（100%） | 8/10(80%) | 6/16(37%) | 29/36(80%) |
| 使用的專(zhuān)用輸入引腳 | 1/14（25%） | |||
| 使用的I/O引腳 | 62/80（77%） | |||
| 使用的邏輯單元 | 118/128（92%） | |||
| 使用的共計(jì)擴(kuò)展項(xiàng) | 52/128（0%） | |||
| … | … | |||
最后，通過(guò)EPM7128STC100-10(40MHz)的JTAG口，在MAX+PLUSII 10.0環(huán)境下，下載到器件中，在TMS320C32（40MHz）和MC68332（16.78MHz）兩種CPU構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證。由于A/D轉(zhuǎn)換控制器與處理器采用并行接口，極大地減輕了CPU的負(fù)荷，解決了CPU的I/O資源嚴(yán)重不足的矛盾，提高了硬件電路的集成性、可靠性及保密性，可以很方便地移植到多種處理器，具有一定的實(shí)用性。
狀態(tài)機(jī)模塊的時(shí)序電路VHDL設(shè)計(jì)程序見(jiàn)網(wǎng)站(http://www.dpj.com.cn)。
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