可編程邏輯器件與單片機(jī)在雙控制器中的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，人們常常采用單片機(jī)作為控制核心。但這種方法硬件連線復(fù)雜，可靠性差，且單片機(jī)的端口數(shù)目、內(nèi)部定時(shí)器和中斷源的個(gè)數(shù)都有限，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要外加擴(kuò)展芯片。這無(wú)疑對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多不便。

現(xiàn)在有很多系統(tǒng)采用可編程邏輯器件CPLD作為控制核心。它與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比較，不僅簡(jiǎn)化了接口和控制，提高了系統(tǒng)的整體性能及工作可靠性，也為系統(tǒng)集成創(chuàng)造了條件。但可編程邏輯器件的D觸發(fā)器資源非常有限，而且可編程邏輯器件在控制時(shí)序方面不如單片機(jī)那樣方便，很多不熟悉的應(yīng)用者往往感到應(yīng)用起來(lái)非常的困難。利用可編程邏輯器件和單片機(jī)構(gòu)成的雙向通信控制器克服了兩者的缺點(diǎn)，且把二者的長(zhǎng)處最大限度地發(fā)揮出來(lái)。

1 CPLD與單片機(jī)AT89C51雙向串行通信原理

1.1單片機(jī)到可編程邏輯器件的串行通信

單片機(jī)到CPLD的串行通信接口電路是利用VHDL語(yǔ)言在CPLD中設(shè)計(jì)一個(gè)串行輸入并行輸出的八位移位寄存器，其端口與單片機(jī)的P1.4～P1.7相連，如圖1所示。CS為單片機(jī)選信號(hào)，當(dāng)其為低時(shí)使能八位寄存器；當(dāng)DCLOCK信號(hào)的上升沿到達(dá)clk端口時(shí)，八位移位寄存器就會(huì)將單片機(jī)輸出到cxin的一位數(shù)據(jù)移入；當(dāng)單片機(jī)A寄存器中的八位數(shù)據(jù)欲傳送給CPLD時(shí)，就在P1.6連續(xù)產(chǎn)生八次上升沿，單片機(jī)便順次地將A中的數(shù)據(jù)移到cxin，八次后A中的數(shù)據(jù)段就會(huì)出現(xiàn)在CPLD的cxout中。

其VHDL源程序如下：

entity cuanxing is
　　port (clk,cxin,cs:in std_logic;
　　cxout:out std_logic_vector(7 downto 0));
　　end;
　　architecture rtl of cuanxing is
　　signal shift:std_logic_vector(7 downto 0) ;八位暫存變量并行輸出
　　begin
　　process(clk)
　　begin
　　if(cs=0)then
　　shift=(others=>0);若未被選中，輸出全零
　　elsif(clkevent and clk=1)then ;若上升沿到達(dá)clk時(shí)，被選中。
　　shift(7 downto 1)=shift(6 downto 0) ;八位數(shù)據(jù)前移一位
　　shift(0)=cxin；最低位由cxin輸入
　　end if;
　　end process;
　　cxout=shift;將八位變量送至端口
　　end rtl；
　　與之相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)控制子程序如下（待發(fā)數(shù)據(jù)存放在A中）：
　　CS EQU P1.4
　　EN EQU P1.5
　　DCLOCK EQU P1.6
　　DOUT EQU P1.7
　　CONV：PUSH 07H
　　MOV R7,#8 ;將移位個(gè)數(shù)8存入R7
　　CLR DCLOCK
　　SETB CS ；選中移位寄存器
　　CLR EN
　　CLR C
　　JXL：RLC A ；左移一位，將待發(fā)數(shù)據(jù)送至CY
　　MOV DOUT，C ；送至端口
　　ACALL YS1MS
　SETB DCLOCK ；給一個(gè)上升沿，將數(shù)據(jù)移入移位寄存器
　　ACALL YS1MS
　　CLR DCLOCK
　　DJNZ R7，JXL ；若未到8次則傳送下一位
　　SETB EN ；八位命令字全部移入，給EN一個(gè)上升沿，使CPLD執(zhí)行相應(yīng)操作
　　ACALL YS1MS
　　POP 07H
　　RET

1.3可編程邏輯器件到單片機(jī)的串行通信

可編程邏輯器件到單片機(jī)的串行通信與單片機(jī)到可編程邏輯器件的串行通信類似，只不過(guò)八位寄存器改為并入串出，其端口如圖2所。當(dāng)單片機(jī)的cs=1時(shí)，寄存器被選中；當(dāng)load=1時(shí)，待發(fā)的數(shù)據(jù)被加載到bxin上；當(dāng)clk上升沿到來(lái)時(shí)，將數(shù)據(jù)一位一位移出至bxout上，與此同時(shí)，單片機(jī)一位一位接收到自bxout上的數(shù)據(jù)。在clk八個(gè)上升沿后，加載到bxin的數(shù)據(jù)便被傳送至單片機(jī)的A寄存器中（其VHDL和單片機(jī)源程序由于篇幅所限，不予給出）。

2雙控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理

由于單片機(jī)端口有限，所以大部分外圍器件的連線靠CPLD來(lái)完成，而對(duì)時(shí)序控制要求較高的那些外圍器件則靠單片機(jī)來(lái)間接控制。所謂間接控制就是指應(yīng)用者可以自定義很多個(gè)命令字，每個(gè)命令字對(duì)應(yīng)著CPLD一項(xiàng)或一系列操作。當(dāng)單片機(jī)想讓某外部器件實(shí)現(xiàn)某種功能時(shí)，可以通過(guò)串行通信把命令字傳送給可編程邏輯器件CPLD.CPLD收到該命令字關(guān)判斷命令字后，便在EN的上升沿到來(lái)后執(zhí)行相應(yīng)的操作。這里值得一提的是：命令字傳送給CPLD后，只有在EN的上升到來(lái)后CPLD才能執(zhí)行相應(yīng)操作。這是為了防止命令字在字傳送期間使CPLD誤動(dòng)作。

當(dāng)外部器件有中斷信號(hào)反饋到控制器時(shí)，也可將特定的命令字由CPLD傳送給AT89C51，使AT89C51產(chǎn)生中斷進(jìn)行處理。但無(wú)論有多少個(gè)外圍器件需產(chǎn)生中斷控制。在AT89CF51中斷子程序中，運(yùn)行由CPLD向單片機(jī)的串行通信程序，將特定的命令字讀到A寄存器中，從而可知是如個(gè)外圍器件產(chǎn)生的中斷（由應(yīng)用者自行定義），進(jìn)而可知需何種外部操作。

本雙控制系統(tǒng)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)用起來(lái)非常靈活方便，這里采用的是八位命令字，最多可自定義256個(gè)命令字。由于同時(shí)采用了單片機(jī)和CPLD，因此編程非常靈活方便，工程人員可根據(jù)自身特點(diǎn)而相應(yīng)選擇。例如，有些人的單片機(jī)編程能力要比CPLD語(yǔ)言編程略好一些，那他可在VHDL語(yǔ)言編程中把命令字對(duì)應(yīng)的操作定義得簡(jiǎn)單一些（最簡(jiǎn)單的莫過(guò)于使某個(gè)管腳變?yōu)楦唠娖交虻碗娖剑?；若是想?jiǎn)化單片機(jī)的編程，則可使高電平或低電平）；若是想簡(jiǎn)化單片機(jī)的編程，則可使VHDL語(yǔ)言編程中特定命令字對(duì)應(yīng)的操作復(fù)雜一些。

單片機(jī)的編程過(guò)程就是對(duì)A寄存器寫不同命令字，然后調(diào)用串行通信子程序的過(guò)程。若是VHDL的命令字，然后調(diào)用串行通信子程序的過(guò)程。若是VHDL的命令字對(duì)應(yīng)程序簡(jiǎn)單些，則要完成對(duì)某特定外圍器件的操作所需要的命令字調(diào)用就會(huì)多一些。反之亦然，僅此而已。

總之，用單片機(jī)與CPLD構(gòu)成的雙控制器，此用它們各自獨(dú)立開發(fā)項(xiàng)目要容易得多。