如何采用51單片機(jī)和CPLD芯片構(gòu)建出電路系統(tǒng)

一、引言

單片機(jī)市場(chǎng)可以用巨無(wú)霸來(lái)形容，其中51 單片機(jī)使用者就更多了，針對(duì)51 單片機(jī)無(wú)需更多的介紹，這里必須強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，只要你精通了51 單片機(jī)，以后在實(shí)際工作中選用其它單片機(jī)也很容易了，這就是初學(xué)者學(xué)習(xí)51 單片機(jī)的價(jià)值。選擇51 單片機(jī)學(xué)習(xí)入門(mén)容易，倒不是說(shuō)51 系列單片機(jī)比別的型號(hào)簡(jiǎn)單，其實(shí)在8 位單片機(jī)家族中，51 系列單片機(jī)算是復(fù)雜的，但51 單片機(jī)在中國(guó)推廣最徹底，教程也是最豐富，基本不用看英文資料就能學(xué)好，所以特別適合初學(xué)者學(xué)習(xí)用。

下面說(shuō)說(shuō)CPLD，從近來(lái)跟學(xué)生和愛(ài)好者交往中發(fā)現(xiàn)，初學(xué)者都很“討厭”它，問(wèn)我為什么要把單片機(jī)和CPLD 放一塊兒，那樣不是增加了學(xué)習(xí)的難度嗎？其實(shí)深入學(xué)習(xí)單片機(jī)后，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)一片單片機(jī)芯片，實(shí)在是不夠用，稍微復(fù)雜的系統(tǒng)都會(huì)缺少接口資源，IO 口不夠用。我們學(xué)單片機(jī)不能僅僅局限于LED（發(fā)光二極管，數(shù)碼管等）驅(qū)動(dòng)，輸入還需要鍵盤(pán)、ADC，輸出需要LCD、DAC等，當(dāng)把這些對(duì)象同時(shí)放在一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中時(shí)，就需要用到很多其它分離的接口IC（芯片），各種邏輯IC。

學(xué)完單片機(jī)后大家都會(huì)知道這些芯片：如74373，7432，74138……隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，一種新的器件正在被廣泛應(yīng)用，那就是CPLD（ComplexProgrammable Logic Device） 復(fù)雜可編程邏輯器件，通俗的說(shuō)就是可以把以上那些分離器件都放進(jìn)去的一種可以二次開(kāi)發(fā)的IC.關(guān)于CPLD 的詳細(xì)介紹大家可以自己在網(wǎng)上瀏覽，很多很多。

二、單片機(jī)系統(tǒng)中幾個(gè)典型電路介紹

首先從熟悉的最小系統(tǒng)電路電路說(shuō)起，如圖1所示，圖中用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)實(shí)現(xiàn)電路連接，這樣繪制的電路圖清晰整潔，U1 是經(jīng)典的51 單片機(jī) IC，復(fù)位電路和晶振電路是傳統(tǒng)電路，這里C5電容是靠近單片機(jī)VCC引腳的，用來(lái)對(duì)電源濾波，圖中其它芯片VCC 附近都有相同功能的濾波電容。U2 是經(jīng)典的低八位地址鎖存電路，這里的74373 也可以用74573 代替，U3 是地址譯碼電路，74138 實(shí)現(xiàn)連續(xù)8 個(gè)地址（1### #### #### #000 ~ 1####### #### #111，# 是無(wú)關(guān)位，可以是0 也可以是1，取決于電路其它部分的需要）對(duì)象擴(kuò)展。

圖1 MCU最小系統(tǒng)原理圖

51 單片機(jī)給大家推薦STC 的89 或90 系列，其中90 系列已經(jīng)有片內(nèi)ADC 了，需要特別強(qiáng)調(diào)的是， 隨著FLASH 技術(shù)的成熟，片內(nèi)FLASH ROM從8K 到64K 任選，已經(jīng)足夠用了，所以現(xiàn)在很少有單片機(jī)系統(tǒng)外擴(kuò)ROM 了，這樣使得EA/VPP 和PSEN 引腳失去了原先的功能了，STC 的51 單片機(jī)已經(jīng)將這兩個(gè)引腳發(fā)展成P4 口了。

復(fù)雜的系統(tǒng)必然有很多輸入輸出接口，如圖2所示，U5 是數(shù)據(jù)鎖存器74273，擴(kuò)展一個(gè)8bits 數(shù)據(jù)輸出端口，U6 是三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器74573，擴(kuò)展一個(gè)8bits 數(shù)據(jù)輸入端口，分別用7432 實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)時(shí)序接口匹配。

圖2 MCU端口口擴(kuò)展原理圖

經(jīng)典LCD1602 接口如圖3 所示，這里7408、7402 邏輯門(mén)用來(lái)實(shí)現(xiàn)6800 時(shí)序（讀寫(xiě)信號(hào)有獨(dú)立接口的是8080 時(shí)序，這里只有使能信號(hào)E，需要外邏輯電路將讀寫(xiě)信號(hào)相與合并使用）。

圖3 LCD1602接口電路原理圖

以上給出的系統(tǒng)還算不上是復(fù)雜系統(tǒng)，總共采用了8 塊IC，一個(gè)實(shí)現(xiàn)特定功能的系統(tǒng)往往更復(fù)雜，需要采用的IC 會(huì)更多。能不能把這些分離的器件用CPLD 來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？答案是肯定的。

三、單片機(jī)與CPLD接口設(shè)計(jì)

以上經(jīng)典電路中，系統(tǒng)擴(kuò)展使用了單片機(jī)總線模式，各個(gè)對(duì)象采用的三總線連接，根據(jù)這種電路結(jié)構(gòu)，這里給出一種單片機(jī)同CPLD 的總線接口模式，如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)與CPLD總線接口示意圖

這里選擇A l t e r a 公司早期的EPM7064SLC44-10 為例，這是很老的一款CPLD器件，是5V 供電。其實(shí)選擇什么CPLD 型號(hào)并不是關(guān)鍵，關(guān)鍵是學(xué)習(xí)用CPLD 代替分立器件的思想和方法。數(shù)據(jù)總線P0 口同CPLD 一般IO 口相連，完成數(shù)據(jù)和低8 位地址傳送；控制總線包括單片機(jī)讀寫(xiě)控制信號(hào)Rd（P3.7） 和Wr（P3.6），以及地址鎖存信號(hào)ALE（AddressLOCk Enable）和高位地址線A15（P2.7） 通過(guò)CPLD 的全局信號(hào)引腳輸入，包括全局時(shí)鐘輸入：INPUT/GCLK1， 全局清零輸入INPUT/GCLRn， 全局使能輸入INPUT/OE1，INPUT/OE2， 這幾個(gè)信號(hào)有專(zhuān)用連線與CPLD 中每個(gè)宏單元相連，保證信號(hào)到每個(gè)宏單元的延時(shí)相同并且延時(shí)最短。實(shí)際電路原理圖如圖5所示。

圖5 MCU與CPLD接口電路原理圖

這樣一塊CPLD 器件就代替以上除單片機(jī)外的7 塊芯片了，在電路板上將節(jié)約大片的PCB面積，好處還遠(yuǎn)不止這些，因?yàn)镃PLD 是二次開(kāi)發(fā)的，其內(nèi)部電路可以根據(jù)需要再次設(shè)計(jì)，反復(fù)修改，極大的增加了電路設(shè)計(jì)的靈活性。

讀者看到這里，肯定對(duì)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)CPLD 電路充滿了期待，下面介紹如何借助工具軟件開(kāi)發(fā)CPLD 內(nèi)部電路。

四、CPLD開(kāi)發(fā)介紹

一般來(lái)說(shuō)，CPLD 生產(chǎn)商都有配套的開(kāi)發(fā)工具， 這里介紹ALTERA 公司的一款易學(xué)易用的CPLD 開(kāi)發(fā)軟件MaxPlusII，雖然該公司最新版的軟件是QUARTusII，但針對(duì)某些具體的器件，選擇MaxPlusII 還是很方便的。該軟件入門(mén)教程請(qǐng)到百度搜索《MaxplusII 設(shè)計(jì)CPLD 入門(mén)》，很多手把手的資料。

最容易的電路設(shè)計(jì)方法不外乎是直接繪制電路原理圖。采用原理圖輸入，初學(xué)者甚至不需要額外學(xué)習(xí)就可以從事CPLD 設(shè)計(jì)。我們只需要在軟件平臺(tái)上從集成器件庫(kù)調(diào)出對(duì)應(yīng)的器件，繪制相同的電路原理圖即可，實(shí)現(xiàn)以上功能電路原理圖繪制完成后如圖6 所示。

圖6 原理圖輸入設(shè)計(jì)CPLD

該原理圖編譯成功后，我們還需要根據(jù)實(shí)際電路連接圖分配綁定引腳，引腳綁定如圖7 所示，再編譯就可以得到可供下載的文件*.pof 了，最后只需要將下載電纜連接到電路板上，仍然通過(guò)該軟件即可完成下載。

正因?yàn)镃PLD 的IO 腳是可以隨意分配的，通常我們會(huì)結(jié)合實(shí)際的PCB 板設(shè)計(jì)布線的便利來(lái)調(diào)整引腳分配，引腳分配更改后，只需要重新分配引腳再編譯下載即可。

圖7 CPLD引腳綁定

除了原理圖輸入外，復(fù)雜的CPLD 器件開(kāi)發(fā)，一般用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，常用的硬件描述語(yǔ)言有VHDL，VerilogHDL，這些硬件描述語(yǔ)言的掌握是需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)的，基于硬件描述語(yǔ)言的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，FPGA開(kāi)發(fā)目前已經(jīng)成為高薪職業(yè)，社會(huì)需求巨大。用硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)CPLD 的方法與前面的原理圖輸入法類(lèi)似，也需要編譯糾錯(cuò)，時(shí)序仿真，引腳綁定，最后編譯下載即可。

給CPLD 下載完程序，這塊芯片就是你所設(shè)計(jì)的邏輯時(shí)序電路了，通常比分離元器件功耗更低，性能更優(yōu)。

真正是基于上述思想， 筆者將51 單片機(jī)同CPLD 相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一款適合初學(xué)者使用的學(xué)習(xí)板--Mini51 板。

五、Mini51板概述

Mini51 板體積小巧（11×8 厘米），適合用戶隨身攜帶，只要PC 機(jī)加一根USB 線就可以做硬件實(shí)驗(yàn)了，特別適合大專(zhuān)院校學(xué)生和愛(ài)好者自主學(xué)習(xí)用。實(shí)物圖如圖8 所示。

圖8 Mini51板實(shí)物圖

Mini51 板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9 所示，該板采用單片機(jī)+CPLD 結(jié)構(gòu)，單片機(jī)為主，CPLD 為輔。與單片機(jī)相連的模塊有：P1 口接發(fā)光二極管、蜂鳴器、繼電器、AD/DA，P4 口（STC 單片機(jī)PLCC-44封裝特有）接實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302、紅外接收器，P3口接232電平轉(zhuǎn)換電路和4 個(gè)按鍵，單片機(jī)P0 口和P2 口以及P3.6、P3.7 作為總線使用，CPLD 直接驅(qū)動(dòng)4 位數(shù)碼管，并給LCD 提供使能信號(hào)，單片機(jī)和CPLD 引腳分別有擴(kuò)展接口，板上集成5V穩(wěn)壓電源，可以外接DC9V 電源，也可以從計(jì)算機(jī)USB 口直接取5V 電源。

圖9 Mini51板結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)首選STC89C5X， 該系列單片機(jī)內(nèi)部集成MAX810/STC810 專(zhuān)用復(fù)位電路， 內(nèi)置看門(mén)狗， 超強(qiáng)抗干擾， 輕松過(guò)2KV/4KV 快速脈沖干擾（EFT）， 加密性強(qiáng)，STC89C52RC ~STC89C58RD+ 系列與Intel8051 管腳兼容，寬電壓，5.5V ~ 3.4V 給復(fù)位信號(hào)后能正常工作，PQFP-44，PLCC-44 封裝有P4 口。

STC89C51RC 有3 個(gè)定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，1280 字節(jié)大容量?jī)?nèi)部數(shù)據(jù) RAM ，特別是該系列單片機(jī)支持ISP 編程，開(kāi)發(fā)無(wú)需高價(jià)的編程器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)，在ISP 下載編程時(shí)可設(shè)置6 或12 時(shí)鐘/ 機(jī)器周期模式，在6 時(shí)鐘模式，比普通51 速度快一倍。

CPLD 有兩種型號(hào)可選，ALTERA 的EPM7064和ATMEL 的ATF1504。