CPLD在遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用

摘要：采用VHDL語言和圖形輸入設計方法，給出了用CPLD在遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實現(xiàn)地址譯碼、串口擴展、模塊測試、模數(shù)轉換以及高位數(shù)據(jù)處理等功能的具體方法，同時簡要介紹了遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理及軟、硬件框架。

關鍵詞：CPLD；單片機；譯碼；RS-232；VHDL； EPM7256SQC208

ＣＰＬＤ(Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ?復雜可編程邏輯器件)是在傳統(tǒng)的ＰＡＬ、ＧＡＬ基礎上發(fā)展起來的。目前，ＣＰＬＤ已在通訊、ＤＳＰ及微機系統(tǒng)中有著非常廣泛的應用，它不僅可使設計的產品小型化、集成化和穩(wěn)定可靠，而且還具有在系統(tǒng)或在芯片直接編程的能力，從而使電子系統(tǒng)的設計、開發(fā)、更新與維護變得更為方便，更便于裝配和批量生產。因此，利用ＣＰＬＤ可大大縮短設計周期，減少設計費用，降低設計風險。遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不但需要較多的片選信號，而且模塊測試所占用的Ｉ／Ｏ口資源也較多，用一般的芯片較難實現(xiàn)，而用ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ則不但可以較好地實現(xiàn)其功能，而且還可大大提高設計能力和設計效率。

１　系統(tǒng)組成思路

本遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以Ａｌｔｅｒａ公司７０００Ｓ系列ＣＰＬＤ產品中的ＥＰＭ７２５６ＳＱＣ２０８－１０為控制核心，并由Ａ／Ｄ(模擬量采集)模塊、ＤＩ(數(shù)字量采集)模塊、Ｄ／Ａ(模擬量輸出)模塊、ＤＯ(數(shù)字量輸出)模塊、ＭＣＵ模塊、電源模塊及Ｉ／Ｏ接口模塊組成，其系統(tǒng)組成原理圖如圖１所示。

圖中，ＭＣＵ模塊主要由ＣＡＮ總線模塊、ＲＳ－４８５模塊、ＲＳ－２３２模塊、時鐘和復位模塊、ＣＰＬＤ模塊等組成，ＭＣＵ模塊的電路原理圖如圖２所示。該遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的Ｉ／Ｏ接口板共有１４個插槽，其中１２個插槽可實現(xiàn)Ａ／Ｄ模塊、Ｄ／Ａ模塊、ＤＩ模塊、ＤＯ模塊等四種模塊的任意配置。因此，單個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最大可采集１９２路模擬量或１９２路數(shù)字量，也可以提供最大９６路模擬量輸出或１９２路數(shù)字量輸出。多個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可以根據(jù)實際和現(xiàn)場需要通過ＣＡＮ總線、ＲＳ－４８５總線或ＲＳ－２３２總線進行連接，從而實現(xiàn)上百個或上千個采集頻率不高的遠程數(shù)據(jù)采集。該遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集０～５Ｖ的電壓信號和４～２０ｍＡ的電流信號，數(shù)字量輸出電平為１２Ｖ，可直接控制１２Ｖ的繼電器。

顯而易見，傳統(tǒng)的設計思路不但要使用大量的外圍芯片，而且需要主處理器直接控制各種采集模塊和控制模塊，并完成各模塊和通道的自檢。因此，這種解決方案需要占用主處理器大量的Ｉ／Ｏ資源和處理時間。然而，一般處理器的 Ｉ／Ｏ資源極其有限，而且又要求大量的匯編軟件配合，這就使設計移植變得比較困難；此外，由于Ｉ／Ｏ的頻繁操作也不利于系統(tǒng)調度軟件的設計和其他軟件模塊的實時執(zhí)行，因而在現(xiàn)場更難以組成分布式控制管理系統(tǒng)（ＦＣＳ）?？梢姡绻捎脗鹘y(tǒng)的設計方法，不但使系統(tǒng)設計較為龐大，而且開發(fā)成本高、設計周期長、設計效率低。所以，傳統(tǒng)的設計思路在遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中是不可取的，而使用ＣＰＬＤ或ＦＰＧＡ器件則可以較好地解決上述問題。

２　ＣＰＬＤ設計

２．１ 頂層軟件設計

上述功能可在ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ ９．５環(huán)境下設計完成。該系統(tǒng)的軟件設計采用“自頂向下”、“軟硬兼施”的設計方法，主要設計了五大功能模塊，分別是ＤＥＣＯＤＥ?地址譯碼?模塊、ＡＤ?模擬量輸入數(shù)據(jù)處理?模塊。ＤＡＴＡ?數(shù)據(jù)處理?模塊、ＴＥＳＴ?模塊自動識別?模塊、ＵＡＲＴ?串口擴展?模塊，其設計原理圖如圖３所示。其中譯碼模塊用于完成處理器對ＣＰＬＤ片內和片外模塊的尋址和譯碼，這是一種簡單的譯碼邏輯和觸發(fā)電路，共產生３４個片選信號。ＡＤ模塊用于完成對１０位Ａ／Ｄ 轉換芯片ＴＬＶ１５７８高位Ｄ８、Ｄ９的處理以及實現(xiàn)Ｄ９／Ａ１、Ｄ８／Ａ０的分時復用，是一般組合邏輯電路和數(shù)據(jù)緩沖及鎖存電路。ＴＥＳＴ模塊用于完成對各種模塊的自動識別，包括識別某一插槽有無模塊以及具體是何種模塊，該模塊共需處理３６個測試信號。ＤＡＴＡ模塊用于簡單處理各種數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的緩沖、鎖存以及驅動放大等。由于該系統(tǒng)中單片機的串口被ＲＳ－４８５占用，因此，ＵＡＲＴ模塊一般用于實現(xiàn)ＲＳ－２３２串口擴展。

２．２ 底層軟件設計

底層軟件設計是基于頂層軟件中五大功能模塊而設計的，其中ＵＡＲＴ模塊設計采用ＶＨＤＬ語言描述完成，而ＤＥＣＯＤＥ模塊、ＴＥＳＴ模塊、ＤＡＴＡ模塊和ＡＤ模塊由于原理和時序相對簡單，則采用圖形輸入設計方法，并通過編譯、綜合、仿真后生成底層設計文件（即生成相應的設計符號＊．ｓｙｍ），以供頂層設計調用。

為了突出重點，這里只簡單介紹ＵＡＲＴ模塊的底層設計。ＵＡＲＴ模塊是一個８位全雙工異步接收發(fā)送器模塊，該模塊主要由四個子模塊構成，即并入串出模塊、串入并出模塊、接口模塊、時鐘產生模塊。該ＵＡＲＴ模塊的主要功能是：從計算機接收８位并行數(shù)據(jù)并發(fā)送到串口輸出；二是從串口讀入外部串行數(shù)據(jù)并將其轉換為８位并行數(shù)據(jù)送到計算機。

并入串出操作由輸入信號的高電平觸發(fā)的，串行輸出結束后，結束信號變?yōu)椤啊?。而串入并出操作則由串行輸入的下降沿觸發(fā)，且串行輸入要保持低電平持續(xù)半個周期以上。此半周期時鐘同時可作為輸入移位時鐘，８位數(shù)據(jù)輸入結束后，結束信號變?yōu)椤啊⒕S持到下次數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)口是８位雙向三態(tài)Ｉ／Ｏ口。

時鐘產生模塊產生的時鐘用于并入串出模塊和串入并出模塊。在串入并出操作中，工作時鐘只有高于移位時鐘，才能檢測是否開始一次新的輸入過程，因此，工作時鐘是移位時鐘的４倍。其時鐘產生模塊的ＶＨＤＬ源程序如下：

ＬＩＢＲＡＲＹ ＩＥＥＥ;

ＵＳＥ ＩＥＥＥ．ＳＴＤ_ＬＯＧＩＣ_１１６４．ＡＬＬ;?

ＥＮＴＩＴＹ ｃｌｋｇｅｎ ＩＳ

ＰＯＲＴ (ｉｃｌｋ,ｏｃｌｋ:ＢＵＦＦＥＲ ＳＴＤ_ＬＯＧＩＣ);?

ＥＮＤ ｃｌｋｇｅｎ;

ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ｃｌｋ ＯＦ ｃｌｋｇｅｎ ＩＳ

ＳＩＧＮＡＬ ｉｃｌｋ_ｌａｇ,ｏｃｌｋ_ｌａｇ:ＴＩＭＥ:＝０ ｎｓ;

ＳＩＧＮＡＬ ｔｅｍｐ_ｉｃｌｋ,ｔｅｍｐ_ｏｃｌｋ:ＳＴＤ_ＬＯＧＩＣ;

ＢＥＧＩＮ

ＰＲＯＣＥＳＳ(ｔｅｍｐ_ｉｃｌｋ,ｔｅｍｐ_ｏｃｌｋ)

ＢＥＧＩＮ

ｔｅｍｐ_ｉｃｌｋ＜＝ＮＯＴ ｔｅｍｐ_ｉｃｌｋ ＡＦＴＥＲ ｉｃｌｋ_ｌａｇ／４;

ｔｅｍｐ_ｏｃｌｋ＜＝ＮＯＴ ｔｅｍｐ_ｏｃｌｋ ＡＦＴＥＲ ｏｃｌｋ_ ｌａｇ;

ＥＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ;

ｉｃｌｋ＜＝ｔｅｍｐ_ｉｃｌｋ;

ｏｃｌｋ＜＝ｔｅｍｐ_ｏｃｌｋ;

ＥＮＤ ｃｌｋ;

限于篇幅，ＵＡＲＴ模塊的其它底層模塊設計這里不作一一介紹。

圖3

３　系統(tǒng)仿真和驗證

軟件設計完成后，可根據(jù)Ｐｒｏｔｅｌ９９ＳＥ中的電路原理圖進行引腳鎖定，然后啟動編譯程序來編譯項目。編譯器將進行錯誤檢查、網表提取、邏輯綜合和器件適配，然后進行行為仿真、功能仿真和時序仿真。最后采用并口下載電纜ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ并通過ＪＴＡＧ編程方式將ｔｏｐ．ｐｏｆ文件下載到ＥＰＭ７２５６ＳＱＣ２０８－１０芯片中，從而生成硬件電路。４　結束語

為了將該遠程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用到污水處理自動控制系統(tǒng)中，筆者設計了以計算機為核心的分布式控制管理系統(tǒng)（ＦＣＳ），從而高性價比地實現(xiàn)了污水處理設備的自動化控制和信息化管理，穩(wěn)定可靠地發(fā)揮了污水處理設備的作用，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息傳遞的完全數(shù)字化，同時保證了數(shù)據(jù)采集的準確性和控制功能的可靠性。

借助先進的ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ ＥＤＡ設計軟件和高可靠性的ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ芯片開發(fā)的這種分布式控制管理系統(tǒng)，不但可大大節(jié)省電路開發(fā)費用，而且能提高設計效率，同時還可有效實現(xiàn)電路的數(shù)字化與微型化。