摘 要：借助EDA工具軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)邏輯控制部件，解決了CPU尋址空間不足、接口功能不全等問(wèn)題。此基于CPLD的可重構(gòu)硬件數(shù)字平臺(tái)具有可移植性，使CPU對(duì)外接器件近似透明，在更換其他類(lèi)型CPU后，僅做少量軟件和硬件修改即可升級(jí)成為新系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：CPLD 可重構(gòu) 地址擴(kuò)展 串并轉(zhuǎn)換

現(xiàn)代電子儀器系統(tǒng)的多功能化、智能化程度不斷增加，并且隨著實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的改變，隨時(shí)都有可能要求對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行升級(jí)，因此在硬件設(shè)計(jì)上越來(lái)越要依靠EDA輔助設(shè)計(jì)手段。本文主要討論了基于CPLD的電子秤邏輯控制電路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹CPU地址空間擴(kuò)展問(wèn)題，解決了熱敏打印機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及其他接口設(shè)計(jì)問(wèn)題。
1 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)指標(biāo)
本文所設(shè)計(jì)的電子秤系統(tǒng)包括主控單元、存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)顯示、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸與通信、打印以及系統(tǒng)時(shí)鐘等硬件模塊，圖1所示為系統(tǒng)組成框圖。由于采用了CPU和CPLD協(xié)同控制的設(shè)計(jì)方案，硬件模塊間的關(guān)聯(lián)性高，電路元器件數(shù)量少，對(duì)系統(tǒng)EMC有明顯改善，更為重要的是符合嵌入式軟件的設(shè)計(jì)理念，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植、管理大有裨益。它除了計(jì)量、打印等一般功能外，還具備良好的用戶(hù)/客戶(hù)LCD中文圖形人機(jī)接口界面、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)傳輸、C-S無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽僮骱?jiǎn)單直觀，擴(kuò)展、升級(jí)更新迅速方便，在不改變控制系統(tǒng)的前提下，更改CPU方案也很方便，如改成DSP/ARM方案。

系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)指標(biāo)為：最小稱(chēng)重5g；2MB Flash存儲(chǔ)器，128KB帶電電池保護(hù)RAM；128×64點(diǎn)陣LCD顯示界面，100鍵鍵盤(pán)，46位客戶(hù)LED；10MHz以太網(wǎng)通信接口；905MHz智能信道掃描無(wú)線通信接口；精工高速熱敏打印機(jī)等。
2 主控單元
主控單元的功能是控制整個(gè)電子秤系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊的關(guān)系以及處理過(guò)程信息等，主要包括改進(jìn)型51核單片機(jī)和CPLD兩部分。

采用單片機(jī)作為主控CPU主要是從產(chǎn)品成本考慮的。很多新型MSC51核單片機(jī)不但軟件、硬件與傳統(tǒng)的MCS51系列單片機(jī)完全兼容，并且在速度、抗干擾性能、穩(wěn)定性以及性?xún)r(jià)比等方面較后者具有明顯優(yōu)勢(shì)。圖2中CPU采用SST89E58，它與8位標(biāo)準(zhǔn)51系列單片機(jī)完全兼容，工作頻率0～40MHz，工作電壓范圍2.7V～5.5V，其Super Flash存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等先進(jìn)特性可以為用戶(hù)提供極高的可靠性和極低的成本。該單片機(jī)與CPLD結(jié)合，可以建立功能強(qiáng)大的商用電子秤操作、控制平臺(tái)。
商用電子秤的性能要求決定了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。本文用CPLD搭建了可重構(gòu)數(shù)字平臺(tái)作為邏輯控制部件，所有時(shí)序控制、地址分配全部交給CPLD完成，用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低密度AISC器件，充分發(fā)揮CPLD的優(yōu)勢(shì)，使CPU對(duì)外接器件近似透明，從而可以專(zhuān)注于過(guò)程信息的處理，不過(guò)多參與硬件控制。圖2中CPLD采用1片Altera公司MAX7000系列CPLD EPM7256AET144-7，該芯片有144個(gè)引腳，能夠解決包括存儲(chǔ)器訪問(wèn)、鍵盤(pán)掃描、顯示等功能模塊的控制和驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，用單片器件實(shí)現(xiàn)了CPU與所有外圍設(shè)備的邏輯接口，使得整個(gè)操作控制系統(tǒng)的主板面積大為縮減，整體性能穩(wěn)定性大為提高。在CPLD中實(shí)現(xiàn)的功能模塊有：地址譯碼、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)、PWM調(diào)制轉(zhuǎn)換等部分。為提高開(kāi)發(fā)效率，減少調(diào)試中的不可預(yù)測(cè)問(wèn)題，采用分級(jí)、分步驟設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一部分，調(diào)試一部分。

3 接口邏輯與地址分配
商用電子秤的應(yīng)用環(huán)境決定了它所需要的外擴(kuò)端口資源多、存儲(chǔ)器容量較大，因此在邏輯設(shè)計(jì)中，地址分配與管理問(wèn)題就顯得特別重要。
首先，由于單片機(jī)64KB的尋址范圍無(wú)法覆蓋2MB存儲(chǔ)空間，本文采用了分塊-分頁(yè)的方法管理存儲(chǔ)器：將P1與P2/P0口一起作為地址線使用，使總的地址線達(dá)到24條，CPU的有效尋址空間高達(dá)16MB單元。同時(shí)，這16MB空間被進(jìn)一步平均劃分成8個(gè)塊，每塊分32頁(yè)，每頁(yè)64KB。其中P1.5-P1.7線作為塊尋址線，分別供Flash、RAM、I/O口使用；P1.0-1.4線作為頁(yè)尋址線，剛好生成32個(gè)有效頁(yè)地址；P2/P0作為單片機(jī)默認(rèn)的地址總線，用來(lái)尋址每頁(yè)內(nèi)連續(xù)的64KB存儲(chǔ)單元。尋址實(shí)現(xiàn)方法：每尋址一個(gè)單元，單片機(jī)分兩次送出地址號(hào)，第1次從P1口送出塊/頁(yè)地址號(hào)，第2次從P2/P0口送出頁(yè)內(nèi)地址號(hào)。塊地址不能直接送給目標(biāo)器件，而是經(jīng)過(guò)CPLD譯碼后送給對(duì)應(yīng)器件，如圖3所示。顯然，P0口仍舊復(fù)用為數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線，P0口數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CPLD鎖存后作為低8位地址給存儲(chǔ)器使用，而P0口直接引出的數(shù)據(jù)線并接到所有器件的數(shù)據(jù)線上。CPU工作于40MHz時(shí)鐘頻率，中和每次尋址送兩次地址對(duì)速度帶來(lái)的影響。

其次，由于單片機(jī)的P1口已被擴(kuò)展為地址線，而P3口又只能用其第二功能，故已再無(wú)其他端口線可以用作通用I/O控制線。為此，本文采用I/O口統(tǒng)一尋址方式，除了存儲(chǔ)器以外的器件全部安排在I/O尋址空間，所有數(shù)據(jù)（包括串行通信中的串-并轉(zhuǎn)換結(jié)果）都經(jīng)過(guò)CPLD緩存之后再送入CPU中，所有存儲(chǔ)器及外部I/O端口統(tǒng)一分配地址：第1塊A00000H～BFFFFH地址分配給FLASH使用，第2塊C00000H～C1FFFFH地址分配給RAM使用，第3塊分配給其他并接在I/O總線上的所有端口使用。存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 打印機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
打印機(jī)是商用電子秤不可或缺的部件之一。熱敏打印的原理是在控制邏輯的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)控制打印頭上排成方陣或條形式的微型發(fā)熱器加熱熱敏紙使之產(chǎn)生一個(gè)與加熱元素相同的圖元，同時(shí)還控制進(jìn)紙，以便印出整個(gè)圖形(如銷(xiāo)售商品條形碼)。本文選用精工熱敏打印機(jī)LTP1245，每一行384個(gè)加熱點(diǎn)，最寬打印48mm寬帶紙，打印加熱電壓范圍4.2～8.5V，電源設(shè)計(jì)方便。為了減少打印電流，將每行分成六段，每段64點(diǎn)，分六次打印，其工作時(shí)序見(jiàn)圖5。CLK是移位時(shí)鐘信號(hào)，DAT是打印位數(shù)據(jù)，LATCH是數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，DST是段控制信號(hào)。

打印數(shù)據(jù)在CLK時(shí)鐘控制下從串行數(shù)據(jù)線DAT腳逐位輸入打印機(jī)內(nèi)，而后在LATCH鎖存信號(hào)控制下保存在打印存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)全部鎖存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之后，在DST1-DST6信號(hào)的控制下分6次加熱打印。當(dāng)某路DST信號(hào)有效時(shí)，對(duì)應(yīng)段被加熱打印。384個(gè)數(shù)據(jù)位恰好對(duì)應(yīng)384個(gè)加熱點(diǎn)，當(dāng)該位為0時(shí)不加熱，打印紙上對(duì)應(yīng)位置顯白色，反之紙顯黑色。打印加熱時(shí)間由DST的持續(xù)時(shí)間控制，持續(xù)時(shí)間可以控制打印圖形對(duì)比深度。根據(jù)圖5中時(shí)序，結(jié)合上述設(shè)計(jì)思想，在CPLD中抽象出功能圖如圖6，Buffer1緩存步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)打印頭四相精密步進(jìn)電機(jī)，Buffer2緩沖打印頭過(guò)熱和缺紙傳感信息。Buffer1的數(shù)據(jù)從P0口寫(xiě)入，Buffer2的數(shù)據(jù)被P0口讀入。DECODER是譯碼器，譯出6位打印機(jī)段加熱控制信號(hào)，COUNTER實(shí)際上是串并轉(zhuǎn)換器，將并行打印數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)以及移位時(shí)鐘和鎖存信號(hào)。

5 仿真驗(yàn)證
首先，使用硬件描述語(yǔ)言將每個(gè)獨(dú)立的單元模塊抽象出硬件實(shí)體，在EDA工具軟件中調(diào)試通過(guò)并生成符號(hào)模型，然后再生成包含地址分配模塊和接口部件的頂層文件，仿真出波形，完成整個(gè)設(shè)計(jì)。
圖7為將CPU輸入的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)的打印機(jī)數(shù)據(jù)并-串轉(zhuǎn)換仿真波形圖，在圖5的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下將串行數(shù)據(jù)輸入到打印機(jī)。在MAXPLUS II中選定CPLD器件，對(duì)這一部分電路做timing analyzer分析，得到理論移位時(shí)鐘的最高頻率可以達(dá)到111MHz。這一結(jié)果的重要意義在于：假設(shè)一個(gè)并行數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)8個(gè)時(shí)鐘后被移入打印機(jī)中，當(dāng)CPU工作在40MHz時(shí)，若其發(fā)送一個(gè)并行數(shù)據(jù)到CPLD需要4個(gè)指令周期，每個(gè)指令周期需用12個(gè)機(jī)器周期，則CPU每發(fā)送一個(gè)并行數(shù)據(jù)的無(wú)間隔時(shí)間大約為(1/40)×4×2即1.2μs?？梢?jiàn)，只要CPLD的并-串轉(zhuǎn)換模塊移位時(shí)間小于1.2μs即工作頻率大于0.83MHz，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與打印機(jī)之間的零等待時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸，這對(duì)于提高打印機(jī)打印速度非常有幫助。圖5顯示了將一個(gè)并行數(shù)據(jù)2移位的例子，最低位（LSB）最先從右邊移出。

圖8是PWM調(diào)制轉(zhuǎn)換仿真驗(yàn)證波形圖。PWM（Pulse Wide Moudulation）脈寬調(diào)制電路，實(shí)現(xiàn)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，是一種低成本高性能A/D采樣方法。圖中data_cnt計(jì)數(shù)器在data_en高電平信號(hào)作用下開(kāi)始對(duì)clk脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)data_en為低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)，如果此時(shí)剛好rd也為低電平，則data_cnt被讀出do數(shù)據(jù)線。很顯然，這實(shí)際上是對(duì)data_en脈沖寬度計(jì)數(shù)。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是data_cnt為16位計(jì)數(shù)器，而CPU是8位，CPU在s控制信號(hào)的作用下分兩次讀出data_cnt數(shù)值。

本文論述了基于單片機(jī)和CPLD協(xié)同控制的商用電子秤設(shè)計(jì)方案，從應(yīng)用角度著重研究了典型單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中以CPLD作為邏輯控制部件的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)方法，仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。其中面向存儲(chǔ)器擴(kuò)展、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題的CPLD設(shè)計(jì)方法對(duì)CPU是透明的，其意義不僅在于可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、減少CPU負(fù)荷、縮短調(diào)試周期和降低生產(chǎn)成本，而且可以泛化到DSP或其他類(lèi)型CPU的應(yīng)用系統(tǒng)中，因此具有推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 求是科技.CPLD/FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[2]Atmel Corp. EPM7128’s datasheet.
[3] 張會(huì)生.基于77E58的高速行式熱敏打印機(jī)控制板的研制[J] .電子技術(shù)應(yīng)用,2004,30(1)：37-39.
[4]Seiko Instruments Inc.LTP1245’ usage manual.