基于CPLD的測試系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

引言

CLPD(復(fù)雜可編程邏輯器件)兼容了LPD(可編程邏輯器件)和通用門陣列的優(yōu)點(diǎn)，具有編程靈活、可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模電路的特點(diǎn)，同時具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定、可實(shí)時在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。

1、CPLD在測試系統(tǒng)中的作用

隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各種智能儀表、工業(yè)控制及家用電器控制領(lǐng)域。但是它們在提高電路板的集成度、增強(qiáng)系統(tǒng)功能的同時也帶來了很多測試和維修上的問題。傳統(tǒng)的測試儀器和設(shè)備(如萬用表、示波器、邏輯分析儀等)已不能適應(yīng)現(xiàn)代測試要求，更無法快捷地診斷出系統(tǒng)的故障所在，因此給一個產(chǎn)品的生產(chǎn)和維護(hù)帶來了諸多困難。

為了提高診斷效率，我們設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的單片機(jī)電路板故障測試診斷系統(tǒng)。

本系統(tǒng)接口的硬件部分由仿真cPu、sRAM、RS232接口芯片、各種接插件加上核心控制電路構(gòu)成(見圖1)。對于核心控制電路可以考慮兩種方案:一種是采用TL集成電路塊如74LS573、74璐135、74LS24、74璐245等幾十個芯片構(gòu)成;另一種是采用CPLD構(gòu)成。

下面對兩種方案進(jìn)行比較。

1)可靠性

CPL/DFPGA的可靠性極高，幾乎可將整個系統(tǒng)下載于同一芯片中，從而大大縮小了體積，易于管理和屏蔽，而傳統(tǒng)的TTL器件數(shù)量多、體積大，由此帶來的故障隱患大，可靠性低，故障診斷困難。

2)可調(diào)整性

CPL/DFPGA可以通過軟件編程而對其硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，它采用先進(jìn)的JTAc-ISP和在系統(tǒng)配置編程方式，在十SV工作電平下可隨時對CPLD進(jìn)行全部或部分地在系統(tǒng)編程，其編程次數(shù)多達(dá)1萬次，而傳統(tǒng)竹L器件不能再改變其邏輯功能，即使設(shè)計(jì)有誤也無法很快進(jìn)行調(diào)整。

3)可移植性

由于開發(fā)工具的通用性、設(shè)計(jì)語言的標(biāo)準(zhǔn)化以及設(shè)計(jì)過程幾乎與所用CPLD的硬件結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系，所以設(shè)計(jì)成功的各類邏輯功能塊軟件有很好的兼容性和可移植性，它幾乎可用于任何型號的CPLD中，而傳統(tǒng)的TL器件根本不具有可移植性。

4)開發(fā)周期

由于相應(yīng)的EDA軟件功能完善而強(qiáng)大，仿真方式便捷而實(shí)時，開發(fā)過程形象而直觀，兼之硬件因素涉及甚少，因此可以在很短時間內(nèi)完成十分復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而傳統(tǒng)的TrL器件從設(shè)計(jì)原理圖、印制版圖到制板、調(diào)試至少需花幾星期時間，更不用說調(diào)試成功需花的時間可能長達(dá)數(shù)月之久。

由以上比較可以看出，用CPLD實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的核心控制電路更加合理。CPLD的功能示意圖見圖2。

本測試系統(tǒng)中，cPLD的主要功能是切換wR、TxD和RxD這3根信號線，因?yàn)镃PU在通信狀態(tài)和仿真狀態(tài)時都要用到這3根信號線。當(dāng)接口板在與PC機(jī)通信時，這3個信號輸人CPLD后輸出為wRI、TXDI和RXDI;當(dāng)CPU執(zhí)行測試程序發(fā)送測試數(shù)據(jù)到被測板時，它們又從CPLD輸出切換為WRZ、TxDZ和RxDZ。CPLD的另外一個主要工作是隔離接口板上的邵口、咫口的地址數(shù)據(jù)線和ALE、PSEN等控制線，防止被測板上的故障影響到自身工作。從圖1可以看到，即OUT、P2OUT、ALEOUT，PSENOUT正是印口線、PZ口線、ALE線、PSEN線經(jīng)隔離后才送到仿真頭的信號，而CPU的其他信號如PI口、T0，T1等則直接送到仿真頭上。另外，輸出信號AL是經(jīng)過鎖存的低地址信號線。測試結(jié)果的取回有3種方式:總線數(shù)據(jù)和SRAM、ROM的測試結(jié)果通過仿真頭從邵OUT送人CPLD隔離后由即口送入CPU;顯示接口、鍵盤接口等接口數(shù)據(jù)通過ro針或16針扁平電纜插頭從DATAI送人CPLD隔離后也由印送人CPU;其他一些遠(yuǎn)離總線的電路節(jié)點(diǎn)則通過探針從DATAZ送人CPLD后再送人CPU。

2、CPLD的設(shè)計(jì)

CPLD的設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。從需要使用的FO引腳和硬件資源考慮，決定選用Altera公司MAX700()S系列中的7128SLC84一15芯片。該芯片內(nèi)部有128個邏輯塊、64個FO引腳，PLCC封裝，可以在+SV和+3.3V下工作。

硬件描述語言全部采用VHDL。這種語言的特點(diǎn)在于將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)或稱設(shè)計(jì)實(shí)體(可以是一個組件、一個電路或一個系統(tǒng))分成外部(或稱可視部分)和內(nèi)部(或稱不可視部分)兩部分，然后再設(shè)計(jì)實(shí)體的內(nèi)部功能和算法。

如圖2所示，在本測試系統(tǒng)中CPLD要實(shí)現(xiàn)以下功能:

a)用做單片機(jī)系統(tǒng)中的外部低地址鎖存器，相當(dāng)于74璐573。

b)用做通信CPu和仿真CPU之間的切換開關(guān)。

因?yàn)榻涌诎逯械腃PU在與PC機(jī)進(jìn)行通信時需要用到控制線TXD、RXD，在往SRAM中寫數(shù)據(jù)時需要用到WR線，而在仿真測試用做仿真CPU時所有的3根總線均要提供給被測板，所以必須對兩種狀態(tài)都要使用的控制線進(jìn)行切換。切換的方法是在單片機(jī)的程序中執(zhí)行幾條指令，這類似于Flash的防誤操作方法。向外部數(shù)據(jù)存儲器地址FFFEH寫數(shù)據(jù)9H，即

MOVXDPTR，#OFFFEH

MOVA，#99H

MOVX @DPTR，A

就可以將CPU切換到仿真狀態(tài)。

往FFFFH寫數(shù)據(jù)55H，即

MOVX DPTR，#OFFFFH

MOVA，#55H

Mov xnDPTR .A

就可以將CPU切換到通信狀態(tài)。

具體的原理是在CPLD內(nèi)部用vHDL語言設(shè)計(jì)了一個切換開關(guān)。向FFFEH地址寫9H，切換開關(guān)在WR下降沿檢測到此時的低地址為FEH、高地址為FFH、數(shù)據(jù)為9H時，就將WR信號輸出到WRZ引腳，而WRI引腳輸出為高阻狀態(tài);同理，往FFFFH地址寫5H，則將WR信號輸出到WRI引腳，而WRZ引腳輸出為高阻狀態(tài)。因此，每次切換須同時滿足3個條件(低地址、高地址、數(shù)據(jù))均相同。這樣，當(dāng)用做仿真CPU時提供給被測板的數(shù)據(jù)地址空間幾乎是全空間的，發(fā)生誤切換的概率幾乎沒有。

c)用做取回測試結(jié)果通道的切換開關(guān)。因?yàn)楸粶y單片機(jī)電路板有可能不止一個FO接口，每個接口的測試數(shù)據(jù)都要由刊口送人單片機(jī)，這就需要一個切換開關(guān)來控制幾條通路的數(shù)據(jù)輸人以防止數(shù)據(jù)沖突。

采用的方法是給每個通路人為地分配一個程序存儲空間地址，如鍵盤口為8082H、顯示口為8083H、打印口為8084H等，使用MOVC指令來打開通道，即

MOVDPrR，#8082H

CLRA

MOVC A，@DPTR+A

這是將鍵盤口的測試結(jié)果通過8針的扁平電纜取回。

MOV DPTR，#8083H

CLRA

MOVCA，@DPTR+A

這是取回顯示口的數(shù)據(jù)，同理可取回其他口的數(shù)據(jù)。

具體原理是在CPLD中設(shè)計(jì)了一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，以鍵盤口為例，轉(zhuǎn)換開關(guān)的條件是當(dāng)PSEN為低，低地址為82H，高地址為80H時輸人鍵盤口的數(shù)據(jù)，不理會其他口的數(shù)據(jù)。

d)隔離接口板與被測板上的邵口、PZ口及控制線。如果不隔離兩個板上的三總線，當(dāng)被測板發(fā)生故障必將影響接口板，使得接口板根本無法工作，更談不上對被測板進(jìn)行故障診斷。PI口不用隔離是因?yàn)镻I口不屬于三總線。

具體的工作原理是用CPLD模擬單片機(jī)內(nèi)部即口的時序，即先送出低地址，再送出數(shù)據(jù)。分析PO口讀寫外部數(shù)據(jù)存儲器的時序可知，讀周期中，低地址在ALE為高電平時送出，而數(shù)據(jù)在RD上升沿時讀人;寫周期中，低地址也在ALE為高時送出，外部器件在WR為低電平時打開，保證數(shù)據(jù)在低電平時有效寫人。

在后面波形圖中可以看到時序符合數(shù)據(jù)的有效讀人和送出。P1口沒有特別時序要求，輸人CPLD后直接輸出。

e)直接驅(qū)動一個LED燈閃爍。通過計(jì)數(shù)AEL次數(shù)來翻轉(zhuǎn)電平，這樣可以判斷CPLD或接口板上的單片機(jī)是否工作正常。

3、CPLD的仿真

在用VHDL語言完成CPLD的設(shè)計(jì)并編譯通過后就可以進(jìn)行波形仿真，仿真主要是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的時序是否滿足實(shí)際的運(yùn)行情況，所以仿真的條件須大致模擬系統(tǒng)的實(shí)際工作條件。本系統(tǒng)模擬的條件是晶振為11.092MHz的單片機(jī)時序。

按照單片機(jī)寫外部數(shù)據(jù)存儲器的時序進(jìn)行切換WR、RxD、TXD信號仿真，從仿真波形圖上可以看出，在發(fā)出切換到仿真CPU指令后WR入RxDZ、TxDZ能在下一個周期分別輸出WR、RxD、TxD信號，而wRI、RXDI、TXDI都延遲幾納秒后變成高阻;同理，在發(fā)出切換到通信CPU指令后也能正確地切換。仿真圖如圖3所示。

按照單片機(jī)讀外部程序存儲器時序進(jìn)行取I/0口數(shù)據(jù)仿真，從仿真波形圖上也可看出，在發(fā)出取I/0口數(shù)據(jù)的MOvc指令后，數(shù)據(jù)結(jié)果延遲一段時間后開始出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，但只要在PSEN上升沿來到時數(shù)據(jù)還能保持，CPU就可以有效讀人。仿真圖見圖4。

另外，數(shù)據(jù)線、地址線的隔離也比較理想，可保證數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)有效寫人外部器件和有效讀入數(shù)據(jù)。

4、結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)踐證明，本測試系統(tǒng)接口應(yīng)用CPLD后大大簡化了電路，提高了系統(tǒng)整體性能，使系統(tǒng)具有了集成度高、靈活性強(qiáng)、可靠性高、易于升級和擴(kuò)展等特點(diǎn)。