基于CPLD芯片的数字控制器实现

ByGrith4

摘要:本文介绍一种单片机和cpld联合实现的新型数字控制器。控制算法
用VHDL语言写成，由CPLD硬件实现;单片机对CPLD芯片在线编程，
( f5 K5 l2 u2 X( `( z# b+ j可以切换数种不同的控制算法。这样就把原来由单片机软件实现的算法改由
# q2 k" x; U7 e  {硬件完成，将硬件算法和单片机两者的优点结合起来，可以针对不同的控制
对象和控制要求方便的改变CPLD算法，达到满意的控制效果。
  L2 d/ z- D. W/ n关键词: CPLD; 数字控制器; VHDL; 单片机
: `6 Y. p* Y2 G- R; U6 z在计算机控制系统中控制算法是用计算机软件程序实现的，可
* V$ m+ g5 E% @以编好数种控制算法放置在存储器中，针对不同的控制对象、控制
要求灵活调用，适应不同的控制场合。但是，软件算法计算费时，
2 E! y& x4 S! a& [3 m在要求实时性较高的场合无法适用;并且受外界干扰影响较大，一
6 \& s, {0 x% @旦出错，控制过程就将中断，可靠性不高。
# w% C7 w& K7 J) z: A采用硬件实现数学算法具有运算高速、抗干扰能力强的优点,
在控制场合干扰严重、控制要求实时性高的情况下有其不可替代的
6 W" |8 [6 l4 Z8 k" R8 `优势。随着可以替代几十甚至上百块通用IC芯片的大规模可编程
逻辑器件FPGA/CPLD的出现，采用VHDL语言描述电路功能，
+ p+ |: L) ^5 e利用CPLD硬件实现，组成了现代EDA工程的核心，也成为电子
设计今后的发展趋势。但是，CPLD 硬件算法上电配置完成后就不
可更改，这样就限制了它在不同场合应用的灵活性。本设计将
% S# M! l8 K4 a4 |  yCPLD和单片机结合使用，控制算法由CPLD硬件实现，单片机在
$ B; o# A$ E4 ^线配置CPLD,可以灵活的切换数种算法，适应不同的控制场合。
这样，就把硬件算法运算高速、抗干扰能力强和单片机使用方便灵
7 @9 f, Z) ~& ^  G活的优点结合起来。
本文采用的Altera公司的FLEX10K系列CPLD芯片采用
SRAM工艺，可以实现在线编译配置功能;高达10,000 ~ 250,000
个门电路，可以实现把-一个子系统集成在单- -芯片上。单片机采用
2 W1 t6 M' P5 e) y" X& k7 a8031,除在线编程CPLD芯片外，还提供设定控制参数、显示、报
' |" B! o2 h+ h8 C" A( E5 L警等功能。
; g8 a. @1 C. Q' S7 s% A8 l1硬件电路
系统的硬件结构框图如图1所示。本系统采用8031单片机对
  Y: P7 M3 ^# ]CPLD芯片进行在线配置，配置方式为被动并行同步( PPS)方
. N) I$ J0 m1 R0 {$ I0 ~& }4 U式。FLEX10K在配置时要用到的引脚有nSTATUS、CON
F_ ,DONE、DCLK 、nCONFIG 以及DATA[7... .0]共12个
! C+ s5 h6 W2 d  R8 M0 t6 l  a0 s1 `5 d引脚，它们分别被接到单片机P3.2. P3.3、 P3.4、 P3.5和P1
" g. ]+ [+ g/ t# N! w* T口。nSTATUS 和CONF. DONE作为外部的两个中断源INTO和
INT1,以及时响应配置CPLD中出现的情况。外接程序存储器采用
6 Z/ q( M! {( N8 U$ l; ~27C512芯片，寻址空间为64K;数据存储器为62128, 容量为16k,
以满足处理中间数据的需要。由于单片机要和执行控制算法的
( P" k  x0 a' J+ c5 ACPLD芯片交换参数数据，所以扩展了一片8255可编程并行I/O
芯片，片选、A1. A0 分别接到单片机的P2.7、P2.6 和P2.5;键.
盘和显示电路采用标准的8279芯片键盘显示接口。单片机的
) Y: C. x5 \  S; m, Y2 kTXD、RXD引脚保留，如需要可以方便的扩展串行通信电路，与
( U& _6 I. l( y3 o8 P" S9 w上位机进行通讯，组成更复杂功能更强的计算机控制系统;外接石

' V' h- r: r& M6 Q
+ U8 c( p9 S5 K! q, l4 F3 H
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软件算法计算费时， 在要求实时性较高的场合无法适用