CPLD

　　CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶(hù)根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

　　CPLD主要是由可編程邏輯宏單元（MC，Macro Cell）圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶(hù)根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。

　　發(fā)展歷史及應(yīng)用領(lǐng)域

　　20世紀(jì)70年代，最早的可編程邏輯器件--PLD誕生了。其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因?yàn)樗挠布Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可由軟件完成（相當(dāng)于房子蓋好后人工設(shè)計(jì)局部室內(nèi)結(jié)構(gòu)），因而它的設(shè)計(jì)比純硬件的數(shù)字電路具有很強(qiáng)的靈活性，但其過(guò)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的電路。為彌補(bǔ)PLD只能設(shè)計(jì)小規(guī)模電路這一缺陷，20世紀(jì)80年代中期，推出了復(fù)雜可編程邏輯器件--CPLD。此應(yīng)用已深入網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、汽車(chē)電子、數(shù)控機(jī)床、航天測(cè)控設(shè)備等方面。

　　器件特點(diǎn)

　　它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)（一般在10，000件以下）之中。幾乎所有應(yīng)用中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場(chǎng)合均可應(yīng)用CPLD器件。CPLD器件已成為電子產(chǎn)品不可缺少的組成部分，它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為電子工程師必備的一種技能。

　　如何使用

　　CPLD是一種用戶(hù)根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

　　這里以搶答器為例講一下它的設(shè)計(jì)（裝修）過(guò)程，即芯片的設(shè)計(jì)流程。CPLD的工作大部分是在電腦上完成的。打開(kāi)集成開(kāi)發(fā)軟件（Altera公司 Max+pluxII）→畫(huà)原理圖、寫(xiě)硬件描述語(yǔ)言（VHDL，Verilog）→編譯→給出邏輯電路的輸入激勵(lì)信號(hào)，進(jìn)行仿真，查看邏輯輸出結(jié)果是否正確→進(jìn)行管腳輸入、輸出鎖定（7128的64個(gè)輸入、輸出管腳可根據(jù)需要設(shè)定）→生成代碼→通過(guò)下載電纜將代碼傳送并存儲(chǔ)在CPLD芯片中。

　　7128這塊芯片各管腳已引出，將數(shù)碼管、搶答開(kāi)關(guān)、指示燈、蜂鳴器通過(guò)導(dǎo)線分別接到芯片板上，通電測(cè)試，當(dāng)搶答開(kāi)關(guān)按下，對(duì)應(yīng)位的指示燈應(yīng)當(dāng)亮，答對(duì)以后，裁判給加分后，看此時(shí)數(shù)碼顯示加分結(jié)果是否正確，如發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，可重新修改原理圖或硬件描述語(yǔ)言，完善設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)好后，如批量生產(chǎn)，可直接復(fù)制其他CPLD芯片，即寫(xiě)入代碼即可。如果要對(duì)芯片進(jìn)行其它設(shè)計(jì)，比如進(jìn)行交通燈設(shè)計(jì)，要重新畫(huà)原理圖、或?qū)懹布枋稣Z(yǔ)言，重復(fù)以上工作過(guò)程，完成設(shè)計(jì)。這種修改設(shè)計(jì)相當(dāng)于將房屋進(jìn)行了重新裝修，這種裝修對(duì)CPLD來(lái)說(shuō)可進(jìn)行上萬(wàn)次。

　　AD574

　　AD574是美國(guó)核擬器件公司Analog Devices） 生產(chǎn)的12 位逐次逼近型快速A/D 轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換35us，轉(zhuǎn)換誤差為土0.05%，是前我國(guó)應(yīng)用廣泛，價(jià)格適中的A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部含三態(tài)電路，可直接與各種微處理器連接，且無(wú)須附加邏輯接口電路，便能與CMOS 及TTL 電平兼容。內(nèi)部配置的高精度參考電壓源和時(shí)鐘電路，使它不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。

　　利用CPLD實(shí)現(xiàn)AD574控制器的設(shè)計(jì)

　　基于PCI總線的汽車(chē)電子系統(tǒng)對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行采樣分析和處理時(shí)，均需要利用A/D轉(zhuǎn)換模塊。本文選用AD574芯片實(shí)現(xiàn)汽車(chē)電子系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理板上傳感器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。

　　傳感器采集的模擬信號(hào)在信號(hào)調(diào)理板卡上經(jīng)過(guò)放大、濾波后，通過(guò)AD574進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)PCI總線讀取到MCU中進(jìn)行分析處理。設(shè)計(jì)中通過(guò)應(yīng)用VerilogHDL硬件可編程語(yǔ)言在CPLD器件上實(shí)現(xiàn)對(duì)AD574的控制，節(jié)省了MCU的指令執(zhí)行時(shí)間，提高讀寫(xiě)速度，增強(qiáng)了可靠性和穩(wěn)定性。

　　1.AD574工作原理

　　1.1AD574結(jié)構(gòu)及特性

　　AD574是美國(guó)模擬數(shù)字公司推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特點(diǎn)，同時(shí)具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容器件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　AD574內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部引腳如下圖所示。

　　AD574的基本特點(diǎn)和參數(shù)如下：AD574帶有內(nèi)部采樣保持的12位逐次比較型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換速率達(dá)25μs，總線訪問(wèn)時(shí)間最大為150ns；非線性誤差小于±1/2LBS或±1LBS；數(shù)據(jù)可采用12位或8位丙種模式并行輸出；四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V、±IOV、0V~10V和0V~20V；采用雙電源供電方式，模擬電路電壓為±l2V或者±l5V，數(shù)字電路電壓為±5V。

　　1.2AD574引腳功能及時(shí)序控制

　　AD574的邏輯控制需要用到以下端口：數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端12/8、片選信號(hào)輸入端CS、讀/轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸入端R/C、操作使能端CE、位尋址/短周期轉(zhuǎn)換選擇輸入端AO以及轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端STS。

　　當(dāng)CE=1且CS=0同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，AD574開(kāi)始正常工作。AD574處于工作狀態(tài)時(shí)，R/C=0時(shí)，開(kāi)始AID轉(zhuǎn)換；當(dāng)R/C=1時(shí)，讀出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端12/8和AO端用來(lái)控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。當(dāng)AO=0時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式按完整的12位AID轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行；當(dāng)AO=1時(shí)，按8位A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行。當(dāng)R/C=1，AD574處于數(shù)據(jù)狀態(tài)，此時(shí)AO和數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端12/8控制數(shù)據(jù)輸出的格式。當(dāng)12/8=1時(shí)，數(shù)據(jù)以12位并行輸出；當(dāng)12/8=0時(shí)，數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出；且當(dāng)AO=0時(shí)，輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位；AO=1時(shí)輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低4位，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低四位占一個(gè)字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補(bǔ)零。

　　AD574的工作時(shí)序分別如下圖所示。

　　1．3AD574與PCI的接口時(shí)序

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中AD574與PCI接口芯片PCI9052相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。AD574的轉(zhuǎn)換控制及讀取數(shù)據(jù)控制信號(hào)均采自PCI9052的引腳，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在PCI9052的控制下通過(guò)PCI總線傳輸?shù)組CU中進(jìn)行分析與處理。通過(guò)CPLD設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PCI9052對(duì)AD574的邏輯控制和時(shí)序控制，對(duì)應(yīng)的時(shí)序如圖4所示。

　　時(shí)序圖中ADS#、BLAST、LRDYi和LCLK均為PCI總線接口芯片PCI9052的信號(hào)引腳。ADS#是PCI總線上發(fā)起一次訪問(wèn)的地址鎖存引腳，用于控制AD574的采樣時(shí)間；BLAST為PCI總線上一次訪問(wèn)的最后一個(gè)數(shù)據(jù)期，用于控制AD574的數(shù)據(jù)讀取；LRDYi為從設(shè)備準(zhǔn)備引腳，有效則表明PCI9052可以開(kāi)始對(duì)本地端設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，文中用于控制AD574的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成的有效信號(hào)，以便開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)；LCLK為PCI9052產(chǎn)生的一個(gè)局部時(shí)鐘信號(hào)，用于控制時(shí)序邏輯。

　　2CPLD設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于VerilogHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的ADC574采樣控制設(shè)計(jì)源程序如下：

　　代碼中信號(hào)定義與圖 2時(shí)序圖中引腳對(duì)應(yīng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)器用于控AD574的時(shí)序，以滿(mǎn)足AD574的轉(zhuǎn)換精度及讀取要求。

　　QUARTus 11軟件為可編程片上系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計(jì)提供了一個(gè)工具齊全、功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)環(huán)境。在根據(jù)需要選擇好CPLD器件系列后，采用Veilog HDL語(yǔ)言輸入方式編寫(xiě)控制組合邏輯代碼和測(cè)試激勵(lì)代碼，利用 Quartus 11 軟件白帶的工具分析綜合代碼，進(jìn)行布線、布局、資源分配以及分析時(shí)序、波形仿真。Quartus11還為第三方 EDA工具軟件提供了友好的接口，可以直接在Quartus 11 中調(diào)用 Modelsim軟件進(jìn)行仿真。

　　利用 Quartus 11 6.0 和 Modelsim6.1 軟件系統(tǒng)在MAX3000A 系列可編程器件上使用了 50%左右的資源實(shí)現(xiàn)了對(duì)AD574 的采樣、AID 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀取的控制。本文在 Mod-elsim6.1 軟件中進(jìn)行仿真的結(jié)果分別如下圖所示。

　　經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，電路能順利、方便地控制AD574 的工作和運(yùn)行，轉(zhuǎn)換過(guò)程和結(jié)果均符合AD574的時(shí)序邏輯和精度要求。

　　3. 結(jié) 語(yǔ)

　　利用 CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯和時(shí)序的控制，在硬件電路上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，基于CPLD 的可編程特點(diǎn)，可以在不改變硬件電路整體結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行改造、升級(jí)和維護(hù)；在軟件程序上減少了操作指令，一定程度上提高了數(shù)據(jù)處理和讀取的速度。