基于單片機和CPLD的PLC背板總線協(xié)議接口芯片設(shè)計

　　2 協(xié)議芯片設(shè)計

　　本設(shè)計定義背板總線采用類似SPI 串行通信的規(guī)格，用于通信的引線共4 根，包括時鐘信號SCLK、片選信號SSEL、寫數(shù)據(jù)引線MISO 和讀數(shù)據(jù)引線MOSI;支持主機和從機同時收發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位格式如圖2 所示，數(shù)據(jù)幀在SSEL 信號為低電平時傳輸。

圖2 背板總線數(shù)據(jù)規(guī)格

　　信號包括數(shù)據(jù)/地址信號、復(fù)位信號Reset、中斷信號INT.

　　主機和從機協(xié)議芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖相同，如圖3 所示。

　　協(xié)議芯片內(nèi)部有狀態(tài)機控制器、幀控制器、移位寄存器、接收/發(fā)送FIFO 和讀寫緩存。單片機發(fā)送的周期性、非周期性數(shù)據(jù)幀，首先都寫到寫緩存，在發(fā)送FIFO 中進行排隊發(fā)送，在SPI 時鐘SCLK 的驅(qū)動下數(shù)據(jù)幀被轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送到背板總線;在SPI 時鐘的作用下， 接收來自背板總線上的串行數(shù)據(jù);在狀態(tài)機和幀控制器的協(xié)調(diào)下，接收FIFO 中的有效數(shù)據(jù)幀被提取并放進讀緩存區(qū)，等待單片機來讀取，如果是非周期性數(shù)據(jù)則發(fā)中斷信號通知單片機來取數(shù)據(jù)。讀緩存中的周期性數(shù)據(jù)是可以覆蓋的，新接收到的周期性數(shù)據(jù)直接覆蓋舊的周期性數(shù)據(jù)，而非周期性數(shù)據(jù)是單獨存放的，不能覆蓋，由單片機讀取并清除。

圖3 協(xié)議芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　協(xié)議芯片使得外接的單片機可以在空閑的情況下訪問讀緩存和寫緩存，單片機不必頻繁地通過中斷技術(shù)處理周期性數(shù)據(jù)，也使得PLC 主機可以無等待地訪問從機的周期性數(shù)據(jù)。

　　3 基于CPLD 的協(xié)議芯片實現(xiàn)

　　3.1 CPLD 芯片選型

　　本設(shè)計選用lattice 公司的MachXO 系列芯片，該系列CPLD 集成了部分FPGA 的功能， 除了內(nèi)置豐富的LUT 資源以外，還有大量分布式的SRAM 位和嵌入式的專用于FIFO 設(shè)計的SRAM 塊， 并有模擬鎖相環(huán)(PLL)支持時鐘信號的倍頻、分頻等，I/O引腳可配置成1.2/1.5/1.8/3.3V 電平兼容。