PC機的CPLD串行通信的特點與程序的編寫

引言

用CPLD（復雜可編程邏輯器件）設計乃至仿真、驗證、利用ISP（在系統(tǒng)可編程）對硬件調(diào)試都非常方便，所以開發(fā)周期很短，且I/O口隨意設定，故用CPLD設計專用芯片是大勢所趨。VB是一種面向?qū)ο蟮母呒壵Z言，應用這的通信控件編寫上位機的通信程序十分方便，過程簡單。本文針對CPLD和PC通信的特點，各編寫了上位機和下位機的程序，進行相對高速的串行通信。

1 上位機和下位機通信特點簡介

根據(jù)串行通信的協(xié)議，發(fā)送串行數(shù)據(jù)一般是：1個起始位、n個數(shù)據(jù)位，1個或多個停止位。這樣，發(fā)送起始位以后表明傳輸開始。傳送與接收的雙方設定好同樣的傳輸位數(shù)，直到n個數(shù)據(jù)位送完以后，送停止位。上位機和下位機的電平標準不同，它們通過RS-232電平標準轉(zhuǎn)換，在兩者之間接入RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片即可。上位機和下位機的傳輸是異步傳輸，這樣就需要有一個參考脈沖代表傳輸速度即波特率。通信雙方取得一樣的通信速度bps，指的是每一秒鐘所傳送的位數(shù)?，F(xiàn)在儀器和工業(yè)場合，一般9600 bps是最常見的速度，而現(xiàn)在個人計算機PC所提供的串行速度可115 200bps（甚至921 600 bps）。因為常用的單片機MCU的軟件是過程語言，以其作為下位機，無法提供這么高的波特率，即使是較低的波特率也可能產(chǎn)生誤差。所以在傳輸距離較近而設備也可提供時，使用最高的傳輸速度也可以。CPLD的軟件是非過程語言，也就是說其邏輯段定義的所有動作是同時進行的而不是串行的，所以完全可以提供這樣的高速下位機UART（UniversalAsynchronous Receiver Transmitter）。

2 上位機VB程序

上位機軟件利用VB6編寫。微軟的VISUAL

BASIC語言有極其友好的界面，深受廣大編程人員的好評。其可視化特點得到了很好的發(fā)揮，其中的MSCOMM控件非常方便編寫軟件，將最低層的部分隱蔽，只要了解自己需要的參數(shù)即可順序編寫上位機軟件?，F(xiàn)在簡介該控件的各項參數(shù)：

CommPort——指定串行口；

PortOpen——串口是否打開；

InPut——輸入寄存器；

Output——輸出寄存器；

InBufferSize——輸入緩沖區(qū)大小；

OutBufferSize——輸出緩沖區(qū)大小；

InputLen——一次由串行端口讀入字符串長度或字節(jié)個數(shù)；

Settings——設備波特率、傳輸數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位；

InputMode——輸入的是數(shù)據(jù)類型（文字形式或是二進制形式）。

上位機程序要和下位機配合起來。主要須考慮的問題是波特率、輸入輸出數(shù)據(jù)類型。對于從下位機到上位機輸出數(shù)據(jù)的情況，可作以下處理（反之類似）：

Settings 115200，n，8，1（波特率115 200bps，校驗位默認，8位數(shù)據(jù)位，1個停止位）

對于上位機，將輸入的數(shù)據(jù)以二進制數(shù)形式獲取要通過以下的轉(zhuǎn)換：

Dim data（） As Byte

Private Sub Timer1_Timer（）

data（）=MSComm1.Input

For i=LBound（data）To UBound（data）

Text2.Text=data（i）

Next

End Sub

在串口打開的情況下，利用定時器定時從下位機獲取數(shù)據(jù)，顯示在窗口中。通過設置VB定時器控件的interval參數(shù)來控制讀取時間?？梢姡衔粰C利用VB編寫程序，十分方便，這是一種成熟的模塊化語言，只要把參數(shù)給定，很快可以實現(xiàn)編程。

3 下位機通信程序編寫

MAXPLUSII里有許多常用的宏單元，如計數(shù)器、四則運算、各類邏輯門乃至ROM、RAM等；而在這些宏單元里具體的參數(shù)都可以由用戶來自行設定，這就是上面提到的IP核形式。由于CPLD數(shù)字設計中結構化設計的趨勢，不同層次的IP（intellectualProperty）核將出現(xiàn)。各個IP核可重復利用，大大提高了設計能力和效率，避免了重復勞動。以下設計的是下位機的IP核，它是一個波特率、起始位、停止位均可設定的宏單元。

MAXPLUSII的AHDL（Altera Hard wareDescription Language）是Altera公司開發(fā)的完全集成于MAXPLUSII中的一種模塊化高級語言，特別適合于描述復雜的組合邏輯、組運算、狀態(tài)機和真值表。本文利用AHDL，直接生成IP核。

設計的最終目標是生成如圖1所示的Symbol。其參數(shù)可以由用戶設定（如圖1的右上角），選擇先送（收）串行數(shù)據(jù)最高位或最低位、數(shù)據(jù)寬度、停止位等。

設計思想是利用狀態(tài)機的3種狀態(tài)send（receive）、wait、idle，系統(tǒng)時鐘為輸入的CLK，在這3種狀態(tài)間變換。而BAUD為CLK分頻后的波特率時間。發(fā)送時，當BAUD上升沿時，輸出1位串行數(shù)據(jù)。輸出全部結束時，BUSY端出現(xiàn)低電平信號，這時利用LOAD信號可以從D端讀取并入的數(shù)據(jù)。由于使用的是AHDL，這種狀態(tài)機實現(xiàn)起來非常方便，程序簡潔明了。圖2所示為狀態(tài)機圖。

程序清單如下：

CASE Ss IS --狀態(tài)機

WHEN idle =》

IF Load THEN

Ss=wait;

ELSE

Ss=idle;

END IF;

WHEN wait =》

IF Baud THEN

Ss=send;

ELSE

Ss=wait;

END IF;

WHEN send =》

IF count［］！=0 THEN

Ss=wait;

ELSE

Ss=idle;

END IF;

WHEN OTHERS =》

Ss=idle;

END CASE;

TxD=InShift［WIDTH+1］; --TXD串出

IF Ss！=idle THEN --控制BUSY

Busy=VCC;

END IF;

CASE Ss IS

WHEN idle =》

count［］=WIDTH+STOP_BITS; --等傳送的位數(shù)

WHEN send =》

count［ ］=count［ ］-1;

WHEN OTHERS =》

Count［］=count［］；

END CASE；

CASE Ss IS --控制輸入寄存器

WHEN idle =》

IF MSB_FIRST= =“YES”GENERATE

DTMP［］=D［］;

ELSE GENERATE

FOR each_bit IN 0 TO WIDTH-1 GENERATE

DTMP［WINDTH-1-each_bit］=D［each_bit］;

END GENERATE;

END GENERATE;

InShift［］=（1，0，DTMP［］）;

WHEN send =》

InSift［WIDTH+1..1］=InShift［WIDTH..0］;

InShift［0］=VCC;

WHEN OTHERS=》

InShift［］=InShift［］;

END CASE;

圖3為仿真波形，系統(tǒng)時鐘CLK為6MHz，50分頻后得到周期為868ns的時鐘BAUD，即波特率為115200 bps。設定為從高位到低位依次傳送：起始位1位，低電平；8位數(shù)據(jù)位，1個停止位，為高電平。圖3中顯示分別傳送十進制數(shù)20、21、22、23（即二進制數(shù)0001010000010101 00010110 00010111）的情況，LOAD信號一直有效?？梢?，傳送1個數(shù)據(jù)總共有10位，1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位。按照波特率115200 bps，傳送1個數(shù)據(jù)需要的時間為86.8μs。這個數(shù)度充分體現(xiàn)了CPLD的優(yōu)勢，比單片機MCU串行傳輸要快上10倍以上。如果上位機UART允許，這個速度還可以增大到接近MCU串行傳輸?shù)?00倍，即波特率為921600 bps。

設計完成通過仿真以后，通過編程電磁將生成的pof文件用ISP（在線編程）方式下載到CPLD板EPM7128LC84-6，外接RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片HIN232CP。經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，CPLD和PC機接口通信，上位機用VB編寫程序。試驗證明，在高速情況下，通信正常。