引言

CLPD(復(fù)雜可編程邏輯器件)兼容了LPD(可編程邏輯器件)和通用門(mén)陣列的優(yōu)點(diǎn)，具有編程靈活、可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模電路的特點(diǎn)，同時(shí)具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定、可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。

1、CPLD在測(cè)試系統(tǒng)中的作用

隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各種智能儀表、工業(yè)控制及家用電器控制領(lǐng)域。但是它們?cè)谔岣唠娐钒宓募啥?、增?qiáng)系統(tǒng)功能的同時(shí)也帶來(lái)了很多測(cè)試和維修上的問(wèn)題。傳統(tǒng)的測(cè)試儀器和設(shè)備(如萬(wàn)用表、示波器、邏輯分析儀等)已不能適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)試要求，更無(wú)法快捷地診斷出系統(tǒng)的故障所在，因此給一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和維護(hù)帶來(lái)了諸多困難。

為了提高診斷效率，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的單片機(jī)電路板故障測(cè)試診斷系統(tǒng)。

本系統(tǒng)接口的硬件部分由仿真cPu、sRAM、RS232接口芯片、各種接插件加上核心控制電路構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。對(duì)于核心控制電路可以考慮兩種方案:一種是采用TL集成電路塊如74LS573、74璐135、74LS24、74璐245等幾十個(gè)芯片構(gòu)成;另一種是采用CPLD構(gòu)成。

下面對(duì)兩種方案進(jìn)行比較。

1)可靠性

CPL/DFPGA的可靠性極高，幾乎可將整個(gè)系統(tǒng)下載于同一芯片中，從而大大縮小了體積，易于管理和屏蔽，而傳統(tǒng)的TTL器件數(shù)量多、體積大，由此帶來(lái)的故障隱患大，可靠性低，故障診斷困難。

2)可調(diào)整性

CPL/DFPGA可以通過(guò)軟件編程而對(duì)其硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，它采用先進(jìn)的JTAc-ISP和在系統(tǒng)配置編程方式，在十SV工作電平下可隨時(shí)對(duì)CPLD進(jìn)行全部或部分地在系統(tǒng)編程，其編程次數(shù)多達(dá)1萬(wàn)次，而傳統(tǒng)竹L器件不能再改變其邏輯功能，即使設(shè)計(jì)有誤也無(wú)法很快進(jìn)行調(diào)整。

3)可移植性

由于開(kāi)發(fā)工具的通用性、設(shè)計(jì)語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化以及設(shè)計(jì)過(guò)程幾乎與所用CPLD的硬件結(jié)構(gòu)沒(méi)有關(guān)系，所以設(shè)計(jì)成功的各類邏輯功能塊軟件有很好的兼容性和可移植性，它幾乎可用于任何型號(hào)的CPLD中，而傳統(tǒng)的TL器件根本不具有可移植性。

4)開(kāi)發(fā)周期

由于相應(yīng)的EDA軟件功能完善而強(qiáng)大，仿真方式便捷而實(shí)時(shí)，開(kāi)發(fā)過(guò)程形象而直觀，兼之硬件因素涉及甚少，因此可以在很短時(shí)間內(nèi)完成十分復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而傳統(tǒng)的TrL器件從設(shè)計(jì)原理圖、印制版圖到制板、調(diào)試至少需花幾星期時(shí)間，更不用說(shuō)調(diào)試成功需花的時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)月之久。

由以上比較可以看出，用CPLD實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的核心控制電路更加合理。CPLD的功能示意圖見(jiàn)圖2。

本測(cè)試系統(tǒng)中，cPLD的主要功能是切換wR、TxD和RxD這3根信號(hào)線，因?yàn)镃PU在通信狀態(tài)和仿真狀態(tài)時(shí)都要用到這3根信號(hào)線。當(dāng)接口板在與PC機(jī)通信時(shí)，這3個(gè)信號(hào)輸人CPLD后輸出為wRI、TXDI和RXDI;當(dāng)CPU執(zhí)行測(cè)試程序發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)到被測(cè)板時(shí)，它們又從CPLD輸出切換為WRZ、TxDZ和RxDZ。CPLD的另外一個(gè)主要工作是隔離接口板上的邵口、咫口的地址數(shù)據(jù)線和ALE、PSEN等控制線，防止被測(cè)板上的故障影響到自身工作。從圖1可以看到，即OUT、P2OUT、ALEOUT，PSENOUT正是印口線、PZ口線、ALE線、PSEN線經(jīng)隔離后才送到仿真頭的信號(hào)，而CPU的其他信號(hào)如PI口、T0，T1等則直接送到仿真頭上。另外，輸出信號(hào)AL是經(jīng)過(guò)鎖存的低地址信號(hào)線。測(cè)試結(jié)果的取回有3種方式:總線數(shù)據(jù)和SRAM、ROM的測(cè)試結(jié)果通過(guò)仿真頭從邵OUT送人CPLD隔離后由即口送入CPU;顯示接口、鍵盤(pán)接口等接口數(shù)據(jù)通過(guò)ro針或16針扁平電纜插頭從DATAI送人CPLD隔離后也由印送人CPU;其他一些遠(yuǎn)離總線的電路節(jié)點(diǎn)則通過(guò)探針從DATAZ送人CPLD后再送人CPU。

2、CPLD的設(shè)計(jì)

CPLD的設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。從需要使用的FO引腳和硬件資源考慮，決定選用Altera公司MAX700()S系列中的7128SLC84一15芯片。該芯片內(nèi)部有128個(gè)邏輯塊、64個(gè)FO引腳，PLCC封裝，可以在+SV和+3.3V下工作。

硬件描述語(yǔ)言全部采用VHDL。這種語(yǔ)言的特點(diǎn)在于將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)或稱設(shè)計(jì)實(shí)體(可以是一個(gè)組件、一個(gè)電路或一個(gè)系統(tǒng))分成外部(或稱可視部分)和內(nèi)部(或稱不可視部分)兩部分，然后再設(shè)計(jì)實(shí)體的內(nèi)部功能和算法。

如圖2所示，在本測(cè)試系統(tǒng)中CPLD要實(shí)現(xiàn)以下功能:

a)用做單片機(jī)系統(tǒng)中的外部低地址鎖存器，相當(dāng)于74璐573。

b)用做通信CPu和仿真CPU之間的切換開(kāi)關(guān)。

因?yàn)榻涌诎逯械腃PU在與PC機(jī)進(jìn)行通信時(shí)需要用到控制線TXD、RXD，在往SRAM中寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)需要用到WR線，而在仿真測(cè)試用做仿真CPU時(shí)所有的3根總線均要提供給被測(cè)板，所以必須對(duì)兩種狀態(tài)都要使用的控制線進(jìn)行切換。切換的方法是在單片機(jī)的程序中執(zhí)行幾條指令，這類似于Flash的防誤操作方法。向外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址FFFEH寫(xiě)數(shù)據(jù)9H，即

MOVXDPTR，#OFFFEH

MOVA，#99H

MOVX @DPTR，A

就可以將CPU切換到仿真狀態(tài)。

往FFFFH寫(xiě)數(shù)據(jù)55H，即

MOVX DPTR，#OFFFFH

MOVA，#55H

Mov xnDPTR .A

就可以將CPU切換到通信狀態(tài)。

具體的原理是在CPLD內(nèi)部用vHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一個(gè)切換開(kāi)關(guān)。向FFFEH地址寫(xiě)9H，切換開(kāi)關(guān)在WR下降沿檢測(cè)到此時(shí)的低地址為FEH、高地址為FFH、數(shù)據(jù)為9H時(shí)，就將WR信號(hào)輸出到WRZ引腳，而WRI引腳輸出為高阻狀態(tài);同理，往FFFFH地址寫(xiě)5H，則將WR信號(hào)輸出到WRI引腳，而WRZ引腳輸出為高阻狀態(tài)。因此，每次切換須同時(shí)滿足3個(gè)條件(低地址、高地址、數(shù)據(jù))均相同。這樣，當(dāng)用做仿真CPU時(shí)提供給被測(cè)板的數(shù)據(jù)地址空間幾乎是全空間的，發(fā)生誤切換的概率幾乎沒(méi)有。

c)用做取回測(cè)試結(jié)果通道的切換開(kāi)關(guān)。因?yàn)楸粶y(cè)單片機(jī)電路板有可能不止一個(gè)FO接口，每個(gè)接口的測(cè)試數(shù)據(jù)都要由刊口送人單片機(jī)，這就需要一個(gè)切換開(kāi)關(guān)來(lái)控制幾條通路的數(shù)據(jù)輸人以防止數(shù)據(jù)沖突。

采用的方法是給每個(gè)通路人為地分配一個(gè)程序存儲(chǔ)空間地址，如鍵盤(pán)口為8082H、顯示口為8083H、打印口為8084H等，使用MOVC指令來(lái)打開(kāi)通道，即

MOVDPrR，#8082H

CLRA

MOVC A，@DPTR+A

這是將鍵盤(pán)口的測(cè)試結(jié)果通過(guò)8針的扁平電纜取回。

MOV DPTR，#8083H

CLRA

MOVCA，@DPTR+A

這是取回顯示口的數(shù)據(jù)，同理可取回其他口的數(shù)據(jù)。

具體原理是在CPLD中設(shè)計(jì)了一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，以鍵盤(pán)口為例，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的條件是當(dāng)PSEN為低，低地址為82H，高地址為80H時(shí)輸人鍵盤(pán)口的數(shù)據(jù)，不理會(huì)其他口的數(shù)據(jù)。

d)隔離接口板與被測(cè)板上的邵口、PZ口及控制線。如果不隔離兩個(gè)板上的三總線，當(dāng)被測(cè)板發(fā)生故障必將影響接口板，使得接口板根本無(wú)法工作，更談不上對(duì)被測(cè)板進(jìn)行故障診斷。PI口不用隔離是因?yàn)镻I口不屬于三總線。

具體的工作原理是用CPLD模擬單片機(jī)內(nèi)部即口的時(shí)序，即先送出低地址，再送出數(shù)據(jù)。分析PO口讀寫(xiě)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)序可知，讀周期中，低地址在ALE為高電平時(shí)送出，而數(shù)據(jù)在RD上升沿時(shí)讀人;寫(xiě)周期中，低地址也在ALE為高時(shí)送出，外部器件在WR為低電平時(shí)打開(kāi)，保證數(shù)據(jù)在低電平時(shí)有效寫(xiě)人。

在后面波形圖中可以看到時(shí)序符合數(shù)據(jù)的有效讀人和送出。P1口沒(méi)有特別時(shí)序要求，輸人CPLD后直接輸出。

e)直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED燈閃爍。通過(guò)計(jì)數(shù)AEL次數(shù)來(lái)翻轉(zhuǎn)電平，這樣可以判斷CPLD或接口板上的單片機(jī)是否工作正常。

3、CPLD的仿真

在用VHDL語(yǔ)言完成CPLD的設(shè)計(jì)并編譯通過(guò)后就可以進(jìn)行波形仿真，仿真主要是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的時(shí)序是否滿足實(shí)際的運(yùn)行情況，所以仿真的條件須大致模擬系統(tǒng)的實(shí)際工作條件。本系統(tǒng)模擬的條件是晶振為11.092MHz的單片機(jī)時(shí)序。

按照單片機(jī)寫(xiě)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)序進(jìn)行切換WR、RxD、TXD信號(hào)仿真，從仿真波形圖上可以看出，在發(fā)出切換到仿真CPU指令后WR入RxDZ、TxDZ能在下一個(gè)周期分別輸出WR、RxD、TxD信號(hào)，而wRI、RXDI、TXDI都延遲幾納秒后變成高阻;同理，在發(fā)出切換到通信CPU指令后也能正確地切換。仿真圖如圖3所示。

按照單片機(jī)讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)序進(jìn)行取I/0口數(shù)據(jù)仿真，從仿真波形圖上也可看出，在發(fā)出取I/0口數(shù)據(jù)的MOvc指令后，數(shù)據(jù)結(jié)果延遲一段時(shí)間后開(kāi)始出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，但只要在PSEN上升沿來(lái)到時(shí)數(shù)據(jù)還能保持，CPU就可以有效讀人。仿真圖見(jiàn)圖4。

另外，數(shù)據(jù)線、地址線的隔離也比較理想，可保證數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)有效寫(xiě)人外部器件和有效讀入數(shù)據(jù)。

4、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，本測(cè)試系統(tǒng)接口應(yīng)用CPLD后大大簡(jiǎn)化了電路，提高了系統(tǒng)整體性能，使系統(tǒng)具有了集成度高、靈活性強(qiáng)、可靠性高、易于升級(jí)和擴(kuò)展等特點(diǎn)。