利用CPLD來(lái)替代微控制器的6種方法
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如果告訴便攜式電子設計人員有一種低功耗數字器件能使他們利用軟件程序來(lái)重新配置硬件工作，他們中的十個(gè)會(huì )有九個(gè)認為這是某種微控制器。這是可以理解的。豐富的特性和封裝、大量的軟件開(kāi)發(fā)工具，以及龐大的應用代碼庫，無(wú)處不在的微控制器幾乎能夠用在所有便攜式應用中。然而，隨著(zhù)低功耗CPLD的出現，設計人員有了新的選擇來(lái)實(shí)現以前由微控制器完成的功能。
本白皮書(shū)討論什么時(shí)候適合采用CPLD來(lái)替代微控制器，什么時(shí)候可以采用CPLD作為微控制器的輔助器件。根據其功能和復雜程度，本白皮書(shū)中的例子可以分成三類(lèi)。第一類(lèi)是I/O管理，主要針對引腳級應用。第二類(lèi)是端口管理，重點(diǎn)是器件之間的各種接口。第三類(lèi)是系統管理，面向使用引腳或者端口來(lái)控制系統級功能的應用。
第一次接觸可編程邏輯的設計人員會(huì )發(fā)現CPLD設計在很多方面和傳統的微控制器設計類(lèi)似。下面簡(jiǎn)單說(shuō)明CPLD設計流程：
1
利用軟件開(kāi)發(fā)工具，采用Verilog或者VHDL等高級語(yǔ)言編寫(xiě)設計。
2
對設計進(jìn)行仿真，以驗證功能是否正確。
3
驗證是否滿(mǎn)足資源占用和時(shí)序通路等物理要求，將設計“適配”到CPLD中。
4
對設計進(jìn)行仿真，以驗證時(shí)序是否正確。
5
設計被編程至物理器件中。
一個(gè)主要不同是復雜的在電路仿真器功能，以驗證微控制器。然而，一旦理解了可編程技術(shù)的細微差別后，微控制器設計人員便能夠很好地進(jìn)行CPLD設計
CPLD替代微控制器的實(shí)例
以下部分介紹了CPLD能夠有效替代微控制器的某些應用。
I/O管理
當考慮是使用CPLD還是微控制器來(lái)進(jìn)行I/O管理時(shí)，所需要的I/O數量和類(lèi)型是兩個(gè)關(guān)鍵因素。微控制器的好處是體積小而且價(jià)格低，當然還有大量的小型低成本微控制器供設計人員選擇。然而，如果某一應用需要大量的通用I/O，那么CPLD在成本上通?？梢院臀⒖刂破飨喔偁?。小型低成本微控制器一般受限于串口，它最多有幾個(gè)通用I/O引腳。
設計人員發(fā)現，I/O數量較多的微控制器體積也不小，而且價(jià)格也昂貴。而另一方面，CPLD趨于有較多的I/O；小外形封裝CPLD有50多個(gè)I/O是比較常見(jiàn)的。例如，5mm x 5mm封裝的Altera? MAX? IIZ EPM240Z CPLD有80個(gè)I/O。除了I/O數量?jì)?yōu)勢以外，一般情況下，CPLD要比微控制器更加靈活。除了某些例外，大部分CPLD I/O都能夠用于任意目的。
可編程電平轉換
很多產(chǎn)品都需要使用電壓不同的各種邏輯器件。為支持多電壓應用，設計人員要經(jīng)常連接不同電平的器件。而采用微控制器幾乎不可能實(shí)現這一切，因為微控制器的I/O資源數量有限，一般采用一個(gè)電壓源工作。而CPLD有大量的I/O，并分成多個(gè)塊。相應的為每個(gè)I/O塊分配一個(gè)電壓源。因此，開(kāi)發(fā)電平轉換器只需要將一個(gè)塊中一種電壓的所有I/O分在一起，將相關(guān)的電壓參考連接到這些I/O所需的電源上(圖1)。使用CPLD不但能夠很好地完成電平轉換，它更大的優(yōu)勢在于和電平轉換相結合的可編程功能。例如，如果某一應用需要LCD顯示器，但主處理器并不支持這種顯示器，而且電平不同，那么可以采用CPLD來(lái)實(shí)現主處理器和LCD顯示器之間的電平轉換時(shí)序控制功能。
圖1. 使用MAX IIZ CPLD來(lái)進(jìn)行電平轉換
脈沖寬度調制
一般而言，設計人員針對某一功能選擇一款微控制器，例如脈沖寬度調制(PWM)，這些功能也可以采用CPLD來(lái)實(shí)現。在PWM中，方波的時(shí)間周期不變，而信號保持高電平的時(shí)間在變化或者受到調制。這樣，信號的占空比(tON)是變化的。PWM為數字系統中的模擬電路控制提供了有效的方法。便攜式應用中常用的一種方法是利用PWM來(lái)調節LED的亮度。
CPLD并沒(méi)有專(zhuān)用PWM電路，但是實(shí)現PWM輸出并不難。例如，MAX IIZ CPLD的內部振蕩器可以用作頻率源，計數器可以用于調制所產(chǎn)生的頻率。
模數轉換器
設計人員經(jīng)常選擇微控制器來(lái)實(shí)現模數轉換器(ADC)。然而，在某些情況下，例如鍵盤(pán)解碼，可能不需要ADC。
然而，CPLD也是一種選擇。加入一個(gè)簡(jiǎn)單的低成本外部電容后，MAX IIZ CPLD可以利用其內部振蕩器、施密特觸發(fā)器I/O以及高密度算法可編程邏輯架構來(lái)完成模數轉換(1)。
上電排序
MAX IIZ器件針對大量的系統管理功能進(jìn)行了優(yōu)化，例如多電壓系統上電和系統復位上電排序功能，以及片選信號生成等。這兩類(lèi)應用一般集成在一個(gè)非易失、瞬時(shí)接通器件中。多電壓系統上電排序功能需要采用瞬時(shí)接通器件，該器件能馬上管理PCB上其他器件的上電順序。因此，相對于在毫秒量級上電的微控制器，能夠在幾微秒內上電的CPLD是上電排序功能更好的選擇。
看門(mén)狗定時(shí)器
很多系統管理應用需要采用定時(shí)器。設計人員可能會(huì )吃驚地發(fā)現CPLD可以用于實(shí)現通常由微控制器完成的定時(shí)器功能。利用幾個(gè)分立電容、電阻、二極管和金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)，設計一個(gè)簡(jiǎn)單但是有效的電阻電容(RC)定時(shí)器電路，周期性的對CPLD上電。在圖4的實(shí)例電路中，設置RC值來(lái)建立一個(gè)10秒定時(shí)器?？梢岳萌齻€(gè)外部電容(C1、C2和C3)來(lái)擴展這一基本定時(shí)器，三個(gè)電容被用于建立一個(gè)簡(jiǎn)單的非易失二進(jìn)制計數器。這樣，在MAX IIZ EPM240Z CPLD中利用19％的邏輯就可以完全實(shí)現從10秒到80秒的間隔周期(2)。
GPIO引腳擴展
在常見(jiàn)的通用I/O(GPIO)引腳擴展應用中，設計人員把低成本小型微控制器的可編程功能和CPLD的通用IO資源結合起來(lái)使用。CPLD構建一組內部寄存器，微控制器通過(guò)I2C或者SPI等串口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些寄存器，使微控制器能夠使用現有的I/O資源來(lái)擴展其I/O總數量。利用擴展I/O，設計人員還可以使用CPLD進(jìn)行電平轉換，從而提高了CPLD的實(shí)用性(3)。
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