2020年 08月 13日 星期四
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纯单片机和纯CPLD设计的优缺点分析

来源:未知     作者:威廉希尔     发布时间:2020-08-13 07:59         

  自20世纪80年代单片机引入我国以来,学习和应用单片机的热潮始终不减,特别是MCS51系列。这是由单片机的特点决定的。实际上,从单片机/CPLD应用通用数字集成电系统,到广泛应用单片机,是我国电子设计在智能化应用水平上质的飞跃。据统计分析,单片机的销量单片机/CPLD到目前为止依然逐年递增,而且在很长一段的时间内,单片机依然会是电子设计的主角(虽然这一地址已到了CPLD的挑战)。

  ①大量单片机/CPLD的外围芯片和接口电使得单片机应用系统的设计变得简单而且快捷,新型单片机的上市和高级语言的支持(如C51)进一步延长了单片机的寿命。

  ②长期稳定的发展和使单片机性价比非常高,而且单片机/CPLD积累了大量的资料并拥有了大量的工程技术为员。这一点是CPLD目前难以达到的。

  ②低可靠性。虽然单片机/CPLD目前有很多器件与设计在一定程序上解决了部分问题,如看门狗的广泛应用,但在某些情况下瞬间的复位也会造成严重后果。

  即使单纯单片机/CPLD的单片机结构能完成的功能,在某些情况下也宁可使用纯数字电完成。而当前开始流行的CPLD,则不但克服了单片机的缺点,而且由于可采用VHDL语言编程,进一步单片机/CPLD打破了软硬件工程师的界限,加速了产品的开发过程,使纯数字电的设计变得简单。人们甚至在讨论用C作为下一代硬件描述语言。

  难怪有专家指出,电子设计的单片机时代即将过去,而以PLD为核心的EDA(电子设计自动化)将是单片机/CPLD未来设计的方向。由于超大规模集成电技术的发展,单片PLD芯片上已经可以集成上百万门,就系统规模而言,将单片机设计在内也没什么问题。美国的可编程器件厂商已经以软核和硬核嵌入两种形式(将单片机电嵌入PLD)为设计人员提供帮助。PLD器件取代单片机是早晚的事。但是,在我国当前的普遍应用中,单纯依靠PLD器件还有点早,原因如下:

  ①由于历史单片机/CPLD的原因,我国的电子设计人员大部分应用的是MCS51系列单片机,还没听说哪家公司提供软核或硬核集成。而让这么多人改学其它系列单片机还需要一段时间,而且原有的程序更使人不愿改动。

  所以,由于单片机和PLD的互补性,利用单片机加PLD的结构至少在近期内将一种较好的选择。下面通过作者设计的实例,介绍MCS51+EMP703S结构体系的特点及注意事项。

  ②要求比较多的输入输出口。如果用传统设计方法,势必要用比较多的芯片,电板的设计也较麻烦,一旦设计有误,必须重新设计整个电板,费时、费力、费钱。而采用MCS51+EMP7032S设计后,基本上做到了模块化设计,电的修改只是编程而已。从开始设计到定型所用的时间,基本上就是制作电板的时间。由于设计了输出信号锁存,完全避免了单片机程序跑飞和看门狗复位所引起的输出的跳变,这时设备完全至关重要。图2是设计原理电图。

  从设计的原理图可以看出,主要部分单片机/CPLD只需要两片集成电:单片机AT89C51和CPLDEPM7032S,并且电板采用模块化设计,预留了扩展接口,只需要配上不同的处理模块,就可以实现数据采集、键盘扫描、显示驱动和继电器控制等许多功能。单片机和EPM7032S之间采用了类似SPI接口的通信方法。如图2所示。采用这种方法,既实现了单片机和CPLD之间的通信,又具有灵活性,并且节约了大量的端口资源。

  EPM7032S有36个I/O口,除去用于和单片机通信的7个端口,还有29个端口可以使用。可满足大部分对于端口扩展设计的需求。图3是为EPM7032编写的测试程序的波形仿线中:CLK为同步时钟;SEND为数据接收;END为SEND信号的控制端;S为位选端,用业控制串行通信端口选择;RXD、TDX为单片机和EPM7032之间的串行通信端口;RXD1、TXD1、RXD2、TDX2为串行通信扩展口。这种方案,已经过多次检验,对于节省PCB板的面积和布线难度、提高设计可靠性和提高设计效率都非常有帮助。

  通过程序单片机/CPLD可以看出,利用CLK和SEND线发送控制信号;利用END作为结束位,无论什么情况,如果没有结束位的下降沿脉冲,PLD的输出端口不会改变,这样可确保输出信号的稳定。这种输出锁存使单片机在死机复位时依然不影响继电器原输出。PLD在接收到单片机的控制信号后首先暂存,直到收到END的下降沿脉冲时再把数据输出,作出相应的置高低电平的动作。

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