51單片機加CPLD讓系統更高效

　一、引言

　　單片機市場(chǎng)可以用巨無(wú)霸來(lái)形容，其中51 單片機使用者就更多了，針對51 單片機無(wú)需更多的介紹，這里必須強調一點(diǎn)，只要你精通了51 單片機，以后在實(shí)際工作中選用其它單片機也很容易了，這就是初學(xué)者學(xué)習51 單片機的價(jià)值。選擇51 單片機學(xué)習入門(mén)容易，倒不是說(shuō)51 系列單片機比別的型號簡(jiǎn)單，其實(shí)在8 位單片機家族中，51 系列單片機算是復雜的，但51 單片機在中國推廣最徹底，教程也是最豐富，基本不用看英文資料就能學(xué)好，所以特別適合初學(xué)者學(xué)習用。

　　下面說(shuō)說(shuō)CPLD，從近來(lái)跟學(xué)生和愛(ài)好者交往中發(fā)現，初學(xué)者都很“討厭”它，問(wèn)我為什么要把單片機和CPLD 放一塊兒，那樣不是增加了學(xué)習的難度嗎？其實(shí)深入學(xué)習單片機后，你就會(huì )發(fā)現，單獨一片單片機芯片，實(shí)在是不夠用，稍微復雜的系統都會(huì )缺少接口資源，IO 口不夠用。我們學(xué)單片機不能僅僅局限于LED（發(fā)光二極管，數碼管等）驅動(dòng)，輸入還需要鍵盤(pán)、ADC，輸出需要LCD、DAC 等，當把這些對象同時(shí)放在一個(gè)系統當中時(shí)，就需要用到很多其它分離的接口IC（芯片），各種邏輯IC。

　　學(xué)完單片機后大家都會(huì )知道這些芯片：如74373，7432，74138……隨著(zhù)數字電子技術(shù)的發(fā)展，一種新的器件正在被廣泛應用，那就是CPLD（ComplexProgrammable Logic Device） 復雜可編程邏輯器件，通俗的說(shuō)就是可以把以上那些分離器件都放進(jìn)去的一種可以二次開(kāi)發(fā)的IC.關(guān)于CPLD 的詳細介紹大家可以自己在網(wǎng)上瀏覽，很多很多。

　　基于此，本刊用這篇文章深入淺出的介紹一種采用51 單片機和CPLD 構建復雜電路系統的設計思想。

　　二、單片機系統中幾個(gè)典型電路介紹

　　首先從熟悉的最小系統電路電路說(shuō)起，如圖1所示，圖中用網(wǎng)絡(luò )標號實(shí)現電路連接，這樣繪制的電路圖清晰整潔，U1 是經(jīng)典的51 單片機 IC，復位電路和晶振電路是傳統電路，這里C5 電容是靠近單片機VCC 引腳的，用來(lái)對電源濾波，圖中其它芯片VCC 附近都有相同功能的濾波電容。U2 是經(jīng)典的低八位地址鎖存電路，這里的74373 也可以用74573 代替，U3 是地址譯碼電路，74138 實(shí)現連續8 個(gè)地址（1### #### #### #000 ~ 1####### #### #111，# 是無(wú)關(guān)位，可以是0 也可以是1，取決于電路其它部分的需要）對象擴展。

　　圖1 MCU最小系統原理圖

　　51 單片機給大家推薦STC 的89 或90 系列，其中90 系列已經(jīng)有片內ADC 了，需要特別強調的是， 隨著(zhù)FLASH 技術(shù)的成熟，片內FLASH ROM從8K 到64K 任選，已經(jīng)足夠用了，所以現在很少有單片機系統外擴ROM 了，這樣使得EA/VPP 和PSEN 引腳失去了原先的功能了，STC 的51 單片機已經(jīng)將這兩個(gè)引腳發(fā)展成P4 口了。

　　復雜的系統必然有很多輸入輸出接口，如圖2所示，U5 是數據鎖存器74273，擴展一個(gè)8bits 數據輸出端口，U6 是三態(tài)數據緩沖器74573，擴展一個(gè)8bits 數據輸入端口，分別用7432 實(shí)現讀寫(xiě)時(shí)序接口匹配。

　　圖2 MCU端口口擴展原理圖

　　經(jīng)典LCD1602 接口如圖3 所示，這里7408、7402 邏輯門(mén)用來(lái)實(shí)現6800 時(shí)序（讀寫(xiě)信號有獨立接口的是8080 時(shí)序，這里只有使能信號E，需要外邏輯電路將讀寫(xiě)信號相與合并使用）。

　　圖3 LCD1602接口電路原理圖

　　以上給出的系統還算不上是復雜系統，總共采用了8 塊IC，一個(gè)實(shí)現特定功能的系統往往更復雜，需要采用的IC 會(huì )更多。能不能把這些分離的器件用CPLD 來(lái)實(shí)現呢？答案是肯定的。

　　三、單片機與CPLD接口設計

　　以上經(jīng)典電路中，系統擴展使用了單片機總線(xiàn)模式，各個(gè)對象采用的三總線(xiàn)連接，根據這種電路結構，這里給出一種單片機同CPLD 的總線(xiàn)接口模式，如圖4 所示。

　　圖4 單片機與CPLD總線(xiàn)接口示意圖

　　這里選擇A l t e r a 公司早期的EPM7064SLC44-10 為例，這是很老的一款CPLD器件，是5V 供電。其實(shí)選擇什么CPLD 型號并不是關(guān)鍵，關(guān)鍵是學(xué)習用CPLD 代替分立器件的思想和方法。數據總線(xiàn)P0 口同CPLD 一般IO 口相連，完成數據和低8 位地址傳送；控制總線(xiàn)包括單片機讀寫(xiě)控制信號Rd（P3.7） 和Wr（P3.6），以及地址鎖存信號ALE（Address Lock Enable）和高位地址線(xiàn)A15（P2.7） 通過(guò)CPLD 的全局信號引腳輸入，包括全局時(shí)鐘輸入：INPUT/GCLK1， 全局清零輸入INPUT/GCLRn， 全局使能輸入INPUT/OE1，INPUT/OE2， 這幾個(gè)信號有專(zhuān)用連線(xiàn)與CPLD 中每個(gè)宏單元相連，保證信號到每個(gè)宏單元的延時(shí)相同并且延時(shí)最短。實(shí)際電路原理圖如圖5所示。

　　圖5 MCU與CPLD接口電路原理圖

　　這樣一塊CPLD 器件就代替以上除單片機外的7 塊芯片了，在電路板上將節約大片的PCB 面積，好處還遠不止這些，因為CPLD 是二次開(kāi)發(fā)的，其內部電路可以根據需要再次設計，反復修改，極大的增加了電路設計的靈活性。

　　讀者看到這里，肯定對自己動(dòng)手設計CPLD 電路充滿(mǎn)了期待，下面介紹如何借助工具軟件開(kāi)發(fā)CPLD 內部電路。

　　四、CPLD開(kāi)發(fā)介紹

　　一般來(lái)說(shuō)，CPLD 生產(chǎn)商都有配套的開(kāi)發(fā)工具， 這里介紹ALTERA 公司的一款易學(xué)易用的CPLD 開(kāi)發(fā)軟件MaxPlusII，雖然該公司最新版的軟件是QuartusII，但針對某些具體的器件，選擇MaxPlusII 還是很方便的。該軟件入門(mén)教程請到百度搜索《MaxplusII 設計CPLD 入門(mén)》，很多手把手的資料。

　　最容易的電路設計方法不外乎是直接繪制電路原理圖。采用原理圖輸入，初學(xué)者甚至不需要額外學(xué)習就可以從事CPLD 設計。我們只需要在軟件平臺上從集成器件庫調出對應的器件，繪制相同的電路原理圖即可，實(shí)現以上功能電路原理圖繪制完成后如圖6 所示。

　　圖6 原理圖輸入設計CPLD

　　該原理圖編譯成功后，我們還需要根據實(shí)際電路連接圖分配綁定引腳，引腳綁定如圖7 所示，再編譯就可以得到可供下載的文件*.pof 了，最后只需要將下載電纜連接到電路板上，仍然通過(guò)該軟件即可完成下載。

　　正因為CPLD 的IO 腳是可以隨意分配的，通常我們會(huì )結合實(shí)際的PCB 板設計布線(xiàn)的便利來(lái)調整引腳分配，引腳分配更改后，只需要重新分配引腳再編譯下載即可。

　　圖7 CPLD引腳綁定

　　除了原理圖輸入外，復雜的CPLD 器件開(kāi)發(fā)，一般用硬件描述語(yǔ)言設計，常用的硬件描述語(yǔ)言有VHDL，VerilogHDL，這些硬件描述語(yǔ)言的掌握是需要系統學(xué)習的，基于硬件描述語(yǔ)言的片上系統設計，FPGA 開(kāi)發(fā)目前已經(jīng)成為高薪職業(yè)，社會(huì )需求巨大。用硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)CPLD 的方法與前面的原理圖輸入法類(lèi)似，也需要編譯糾錯，時(shí)序仿真，引腳綁定，最后編譯下載即可。

　　給CPLD 下載完程序，這塊芯片就是你所設計的邏輯時(shí)序電路了，通常比分離元器件功耗更低，性能更優(yōu)。

　　真正是基于上述思想， 筆者將51 單片機同CPLD 相結合，開(kāi)發(fā)了一款適合初學(xué)者使用的學(xué)習板--Mini51 板。

　　五、Mini51板概述

　　Mini51 板體積小巧（11×8 厘米），適合用戶(hù)隨身攜帶，只要PC 機加一根USB 線(xiàn)就可以做硬件實(shí)驗了，特別適合大專(zhuān)院校學(xué)生和愛(ài)好者自主學(xué)習用。實(shí)物圖如圖8 所示。

　　圖8 Mini51板實(shí)物圖

　　Mini51 板系統結構如圖9 所示，該板采用單片機+CPLD 結構，單片機為主，CPLD 為輔。與單片機相連的模塊有：P1 口接發(fā)光二極管、蜂鳴器、繼電器、AD/DA，P4 口（STC 單片機PLCC-44封裝特有）接實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302、紅外接收器，P3口接232 電平轉換電路和4 個(gè)按鍵，單片機P0 口和P2 口以及P3.6、P3.7 作為總線(xiàn)使用，CPLD 直接驅動(dòng)4 位數碼管，并給LCD 提供使能信號，單片機和CPLD 引腳分別有擴展接口，板上集成5V穩壓電源，可以外接DC9V 電源，也可以從計算機USB 口直接取5V 電源。

　　圖9 Mini51板結構圖

　　單片機首選STC89C5X， 該系列單片機內部集成MAX810/STC810 專(zhuān)用復位電路， 內置看門(mén)狗， 超強抗干擾， 輕松過(guò)2KV/4KV 快速脈沖干擾（EFT）， 加密性強，STC89C52RC ~STC89C58RD+ 系列與Intel8051 管腳兼容，寬電壓，5.5V ~ 3.4V 給復位信號后能正常工作，PQFP-44，PLCC-44 封裝有P4 口。

　　STC89C51RC 有3 個(gè)定時(shí)器/ 計數器，1280 字節大容量?jì)炔繑祿?RAM ，特別是該系列單片機支持ISP 編程，開(kāi)發(fā)無(wú)需高價(jià)的編程器，可實(shí)現遠程升級，在ISP 下載編程時(shí)可設置6 或12 時(shí)鐘/ 機器周期模式，在6 時(shí)鐘模式，比普通51 速度快一倍。

　　CPLD 有兩種型號可選，ALTERA 的EPM7064和ATMEL 的ATF1504。