基于PLD和串行總線(xiàn)擴展系統控制功能

　　圖3 將PLD用作一個(gè)串行IO擴展器

　　接下來(lái)就需要一個(gè)協(xié)議，定義從微控制器到外部PLD的數據流的指令和尋址機制。對于基于SPI的實(shí)現，無(wú)需太多擔心。SPI不需要數據流中的任何信息進(jìn)行尋址，因為SS和SCLK信號已經(jīng)根據協(xié)議提供了控制尋址。因此，用戶(hù)只需控制整個(gè)數據有效載荷的傳輸。

　　外部PLD的I2C實(shí)現稍微復雜一些。首先，在將數據傳輸到總線(xiàn)上之前，要對器件尋址，必須識別出這個(gè)PLD。這種差異正是選擇這兩種串行總線(xiàn)架構時(shí)需要考慮權衡的地方：SPI架構不需要一個(gè)指令翻譯器來(lái)尋找到特定的從器件，但比I2C結構需要更多引腳。

　　遠程故障記錄

　　考慮到外部的非易失性存儲器成本低，以及便于通過(guò)串行總線(xiàn)如I2C或SPI接口進(jìn)行連接，將外部非易失性存儲器與PLD結合使用，可以為用戶(hù)提供極具成本效益的方式來(lái)實(shí)現系統中的遠程故障記錄管理。圖4顯示了一個(gè)典型的系統應用，不僅使用了之前重點(diǎn)介紹的IO擴展功能，也說(shuō)明了怎樣將外部存儲器納入系統架構中使用。

　　圖4 遠程故障記錄

　　在這個(gè)架構中，PLD主要負責監測、控制和與微控制器通信。然而，它也負責執行線(xiàn)路上額外的監測/控制分析和故障信息記錄，通過(guò)串行總線(xiàn)寫(xiě)入非易失性存儲器。電壓監控、看門(mén)狗定時(shí)器和PCB上的其他故障條件可以通過(guò)PLD寫(xiě)入非易失性存儲器。通常情況下，檢測到故障后，系統中其他監控器的狀態(tài)，如溫度和電壓以及時(shí)間信息將被保存。

　　應當注意的是，這樣一個(gè)系統在實(shí)現時(shí)有一個(gè)重要的考慮。如果PLD是外部非易失性存儲器的主器件，那么它還需要決定串行總線(xiàn)的控制和尋址。這個(gè)決定對于使用SPI總線(xiàn)而言很容易;設計師必須實(shí)現一個(gè)從SPI器件，與微控制器進(jìn)行通信，以及一個(gè)獨立的主SPI器件，可以訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器。

　　對于I2C總線(xiàn)，設計師有幾個(gè)選擇。第一種選擇是設計類(lèi)似SPI那樣的設計，使用一個(gè)從器件與微控制器通信，以及一個(gè)主器件訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器。第二種選擇是使用PLD，同時(shí)作為主器件和從器件。這種方法的好處是，系統中只有一條串行總線(xiàn)，因此微控制器可以直接訪(fǎng)問(wèn)非易失性存儲器，而無(wú)需PLD翻譯指令然后從存儲器中讀取信息。然而，由于不是在PLD中簡(jiǎn)單地使用一個(gè)從器件，現在設計必須處理尋址和總線(xiàn)控制。

　　傳感器和外設匯聚

　　基于串行接口的標準產(chǎn)品的數量日益增長(cháng)。你可以在溫度傳感器、壓力傳感器、A/D轉換器、數字電位器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和LCD控制器等等應用中找到串行接口，這里僅列舉了幾個(gè)來(lái)說(shuō)明。要了解如何將這些集成到設計中的關(guān)鍵是要知道哪些外設需要“實(shí)時(shí)”使用以及“實(shí)時(shí)”意味著(zhù)什么。舉例來(lái)說(shuō)，在系統中溫度是一個(gè)相對緩慢變化的對象，并可以很容易地通過(guò)串行總線(xiàn)監控。用于電流或電壓檢測的A/D轉換器可能是也可能不是一個(gè)“實(shí)時(shí)”需求，這要根據正在測量的內容，以及需要多快的檢測速度而定。

　　一旦你已經(jīng)確定了外設的優(yōu)先級，然后你可以將較低優(yōu)先級的外設讓PLD處理，減輕處理器的負擔，如圖5所示。

　　圖5 傳感器匯聚示例

　　在上面的例子中，微控制器只需與2個(gè)而非4個(gè)外設進(jìn)行通信。

　　這種安排還有另外一個(gè)好處。你可以使用一個(gè)功能強大的PLD來(lái)預處理數據，然后由微控制器讀取。例如，請考慮一個(gè)應用，使用A/D采樣測量一個(gè)三相電力系統的電壓和電流，并進(jìn)行故障檢查。一個(gè)擁有強大DSP功能的PLD可以代替DSP或微控制器執行RMS計算、峰值電流分析、相位計算和FFT?，F在采樣速率受到PLD收集樣本和處理數據所需時(shí)間的限制。然后，微控制器可以讀取編譯的數據，將更多的時(shí)間用于處理控制和報告工作。設計師們應該好好考慮微控制器處理能力、PLD處理能力、成本和空間之間的權衡。

　　下一步：集成

　　鑒于這些串行總線(xiàn)與小型可編程邏輯器件相結合使用的實(shí)用性，下一步將是將至少一種串行總線(xiàn)標準（如果不能兼顧）集成到PLD中。這種集成降低了PLD解決方案的成本和功耗。此外，串行總線(xiàn)接口的編碼不再是設計師需要解決的問(wèn)題。設計師只需要處理他們的應用和邏輯要求，而不是集成一個(gè)開(kāi)放的核。

　　萊迪思半導體公司提供的最新的CPLD就可以為設計師帶來(lái)這些優(yōu)點(diǎn)。MachXO2?系列中的嵌入式功能塊（EFB），包含預先設計的解決方案，可以用來(lái)實(shí)現上面所述的任意系統控制功能。MachXO2器件包含一個(gè)SPI控制器以及2個(gè)I2C控制器。所有串行總線(xiàn)控制器都可以配置為主或從器件。此外，MachXO2還為設計師們提供了一個(gè)定時(shí)器/計數器塊以及少量的用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)的閃存（UFM）。

　　除了上面提到的解決方案，串行總線(xiàn)與PLD相結合可以為系統提供其他的好處，即使有時(shí)它們在架構設計過(guò)程后才顯現出來(lái)。它們并不是所有弊病的靈丹妙藥，但它們在設計中的實(shí)用性是有據可查的，有無(wú)數的開(kāi)源核和設計方案可以給予不同的架構設計師們指引，實(shí)現最佳的解決方案。