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基于单片机与CPLD的无线控制系统设计

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本文章讲述了基于单片机与CPLD的无线控制系统设计.

摘要:

绍一种基于单片机与CPLD结合的传感器网络节点的无线控制系统。节点中单片机对无线命令进行译码,并对外围子模块进行控制,CPLD扩展控制系统的并行I/O端口、SPI串行接口等,从而根据系统需要可扩展无线传感网络节点的外围功能模块。采用单片机与CPLD模块化设计方法,降低了设计成本,方便电路的多次改进,为传感器网络节点在不同场合的应用提供了一种通用的方法。关键词:单片机I/O端口扩展;CPLD;控制节点;SPI串行接口扩展

引言
自单片机引入我国以来,相关产品的普及促使单片机的应用设计日益广泛。传统的单片机控制系统由单片机以及外围扩展芯片组成,但是这些外,围芯片一般具有接线重复性高、体积大等缺点。可编程逻辑宏单元或逻辑块之间的相互连线在同一封装内,受外界干扰影响小,电磁兼容(EMC)性能好。对设计者来说,CPLD器件最大的优点在于可现场编程,改变逻辑关系时,无需更改外部线路板,只需用图形语言程序或硬件描述语言程序来改变电路,生成下载编辑软件,通过下载电缆输入CPLD器件即可,非常方便,特别有利于新品试制,大大缩短了开发周期。使用CPLD和单片机结合构成其外围电路可以减少系统芯片数量,缩小系统体积,提高系统可靠性。

1、控制系统该系统是一个无线传感器网络节点的控制系统,它用于控制无线模块接收主站发送过来的信息,单片机读取这些数据并译码后,根据译码结果控制各功能子模块,如无线模块控制、温度采集控制、电源管理控制、时间统一信号控制等功能,共需要28个输出控制I/O口,13个输入控制I/O口,扩展I/O端口分配8个。各外围模块通过SPI串行标准接口的扩展与单片机和CPLD进行通信,并完成数据传输控制功能。各外围模块只需接受MCU的控制命令,即可独立完成外围模块各自的功能:无线模块的收发、数据采集A/D转换、时间统一记录、电源管理等。同时预留单片机通过USART的串口输出,另外,还需要此系统具有很好的扩展性,通过扩展外围模块来增加节点不同的功能。系统设计要求如图1所示。

根据设计要求,单片机系统要8b的UART串行输出以及SPI串行输入输出,同时为了完成各种控制功能,单片机必须至少扩展7个I/O端口。如果使用传统的扩展方法,在输出速率要求不高的情况下,并行接口通常使用8255传统的微处理器接口芯片来扩展。但是,这些芯片都是40脚DIP封装,体积庞大,并且每片最多只能扩展3个8bI/O端口,还要考虑8255中A,B,C口是作为输入口还是输出口。当需要的控制端口较多时,不得不用多个这种专用芯片。这时需重复连接多片8255的8位数据线、单片机读/写信号线、ALE,CS(片选)和A0,A1信号线,增加了单片机硬件、软件的设计难度,也就造成电路复杂、控制不便、可靠性降低,而且增大了电路的功耗、体积和重量。同时接口芯片提供的端口数未必与实际需要的端口数相等,不能根据实际情况分配I/O端口的数量,容易造成芯片部分资源的浪费。而CPLD具有丰富的可编程I/O引脚,并且由于其在系统可编程的特点,设计者能够自己定义器件的内部逻辑和管脚,扩展电路也具有可编程设计的特点,方便电路的多次改进,降低了设计成本。

2、单片机与CPLDAVR单片机,采用精简指令集CPU(RISC),具有高性能,处理速度快(1MIPS/MHz),成本低,包括FLASH程序存储器、看门狗、E2PROM、同/异步串口、SPI、ADC、定时器/计数器,众多的中断系统,集成多种功能,具有低功耗抗干扰的休眠模式。复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD)是一种半定制的专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)。其芯片上按一定排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件。通过软件编程可以实现这些元件的连接,从而使之完成某个逻辑电路或系统的功能,成为一个可在实际电子系统中使用的ASIC。目前,最大的两家CPLD/FPGA生产厂商分别是ALTERA以及Xilinx。该系统使用的Xilinx的XC2C256属于XiIinx公司的Coolrunner2系列,包含256个宏单元,最大用户I/O管脚有100个。

3、系统硬件连接组成以及工作过程使用CPLD代替单片机的外围接口芯片,与AVR单片机构成的控制系统相连如图2所示。系统的主要部分仅需要2片集成电路,AVR单片机系列AT—megal62和XC2C256。单片机与CPLD之间的接口是通过单片机的地址/数据复用总线(PORTA端口)以及读写控制I/O口(WR,RD,ALE)与CPLD的I/O口相连来进行数据、状态的传输。在单片机中对扩展的I/O端口进行统一编址,通过C语言可以方便地访问I/O端口,单片机要往数据端口或控制端口输出信息,必须先把地址送到地址总线上,将确定的控制信息送到控制总线上,再把数据信息送到数据总线上。经过CPLD的内部逻辑进行地址、数据锁存,并译码以获得扩展的端口号,从而获得对各个外部功能子模块的控制信号,端口号COM1,COM2,COM3。COM4,COM5,COM6,COM7分别是无线模块控制、时间统一控制、数据采集控制、电源管理控制、片选选择控制、状态选择以及可扩展模块控制等的控制端口,而且通过控制片选端口号(COM5端口),可以对各个功能子模块进行SPI串行数据的传输,从而达到对SPI串行标准接口的扩展。

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