基于單片機及CPLD的多間隔脈沖產生電路

朱靖玉，劉 鑫，周永兵

（長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064）

脈沖信號發生電路在電路實驗和設備檢測等工程中具有十分廣泛的用途，例如某測試系統，需要給被測產品加入可調的多間隔脈沖激勵信號，以使被測產品能按照要求工作在不同的狀態。隨著各種數字設備和工業標準持續、快速的發展以及市場對縮短產品開發周期的客觀要求，脈沖信號發生電路已成為信號源市場的一大主流，其市場份額在迅速增長；同時，目前國內在測試中使用的脈沖發生電路幾乎全部依賴進口。因此，研制出具有實用價值的脈沖發生電路，對滿足國內、國際市場的需求具有重要意義。

1 系統總體結構

1.1 系統設計思想

系統采用模塊化設計，單片機AT89S52和CPLD是整個系統的CPU，控制系統的協調。首先通過4×4按鍵模塊設置系統脈沖信號的周期，選擇脈沖輸出方式，并給出狀態指示；CPLD接收輸入信號后與單片機進行數據通信，并將脈沖信號周期通過LCD1602顯示，然后經過單片機和CPLD的數據處理，產生所需的脈沖信號，由CPLD輸出。其中狀態指示由3個不同顏色（紅、綠、黃）的發光二極管給出，其電平由CPLD的I/O口輸出；4×4按鍵模塊鍵盤的前10個鍵位為數字0-9、第11個為小數點、第12到第14個為脈沖選擇鍵A1，A2，A3用于選擇輸出方式（單頭、雙頭、三頭），另加一個確認鍵。

圖1 系統原理框圖Fig.1 System block diagram

1.2 AT89S52單片機簡介

AT89S52[1]是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8 k字節在系統可編程Flash存儲器。AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，AT89S52擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案。

AT89S52具有以下標準功能：8 k字節 Flash，256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。

1.3 EPM7128SLC84的特點

EPM7128SLC84是Altera公司開發的CPLD器件，屬于MAX 7000S系列[2]。在高集成度PLD器件中，MAX 7000S系列是速度最快的類型之一，它內部為第二代MAX（Multiple Array Matrix）結構。除了集成度高的優點外，器件內部單元（cell）之間的連接采用連續的金屬線，這種互連結構為單元之間提供了固定的、短時延的信號通道，從而消除了內部延時的難以預測性，并有效地提高了芯片資源的利用效率。

EPM7128SLC84是基于EEPROM的可編程CMOS器件，其主要性能指標為：外部引腳數目為84，內部等效門數為2 500左右；內部有 128個邏輯宏單元（Macrocell），每 16個宏單元組成一個邏輯陣列塊（LAB），每個邏輯陣列塊對應8個I/O引腳；除通用I/O引腳外，EPM7128SLC84有兩個全局時鐘、一個全局使能和一個全局清零輸入；器件最高計數頻率為151.5 MHz，內部互連延時為1 ns。

EPM7128SLC84的主要特點為：支持通過JTAG口進行5 V電壓的在片編程；宏單元的工作速率和功耗可編程選擇，用戶可決定每一個宏單元的工作模式——選擇一般模式或是節能模式（功耗降低50%或更多，但延時加大）；宏單元的觸發器有獨立的清零、預置、時鐘和時鐘使能控制，可通過編程進行設置；器件的引腳輸出可設置，有以下3種選項：1）多電平I/O接口，通過硬件設置可使引腳輸出支持5 V或3.3 V兩種電平；2）輸出回轉速率（Slew-Rate）控制，用戶可決定每一I/O引腳的輸出回轉速率，大回轉速率縮小了信號通道的延時，但有可能加大瞬態躁聲；3）集電極開路選擇。具有一個完善、友好的軟件環境支持器件開發，Altera公司的EDA軟件MAX+Plus II集成了設計文件編輯、編譯、仿真、時序分析和器件編程等各項功能，并能直接控制器件內部宏單元或輸出引腳的設置；Altera的硬件描述語言AHDL與CPLD硬件結合緊密，并且提供優化的Megafunction函數庫，支持靈活地描述各類常用復雜電路，如計數器、鎖相環等。

2 硬件電路設計

2.1 單片機電路設計

單片機應用系統工作時，除了進入系統正常的初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。所以系統的復位電路必須準確、可靠地工作。單片機的復位都是靠外部電路實現的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現24個時鐘振蕩脈沖（即2個機器周期）以上的高電平，單片機便實現初始化狀態復位。為了保證應用系統可靠地復位，系統采用按鍵電平復位方式。

單片機AT89S52的P1口與液晶顯示模塊LCD1602的數據端口相連[3]，P3.2控制液晶模塊的讀寫；對比度調整端連接一個10 kΩ的可調電阻，用來調整液晶顯示亮度。另外，單片機的P2口與CPLD的8個I/O口相連，以進行數據傳輸，其電路設計如圖2所示。

圖2 單片機電路連接Fig.2 Microcontroller circuit connection

2.2 CPLD電路設計

晶振是為處理器提供頻率基準的元器件，屬于系統不可或缺的一部分。通常分為有源晶振和無源晶振兩個大類，無源晶振要求芯片內部有震蕩器，并且其信號電壓根據起振電路而定，允許不同的電壓，但無源晶振通常信號質量和精度較差，需要精確的匹配外圍電路，如需更換晶振要同時更換外圍電路。有源晶振不需要芯片的內部振蕩器，可以提供高精度的頻率基準，信號質量也較無源晶振要好。

EPM7128SLC84需要提供外部時鐘信號，由于CPLD對時鐘精度要求甚高，通過前面的分析可知有源晶振的通信質量和精度較無源晶振高，所以采用1.000 MHz的有源晶體振蕩器，電路的輸出端口與處理器EPM7128SLC84的GCKL1連接，其具體電路設計如圖3所示[4]。

3 系統軟件設計

單片機采用AT89S52芯片，通過軟件編程產生所要求的控制信號。主要的控制參數包括：信號周期、脈寬、分頻電路的開始信號、地址發生器的復位信號。在MAX+PLUSⅡ開發環境中完成分頻電路設計，可以省去大部分的中小規模集成電路和分離元件[5]；使得電路具有集成度高、工作速度快、編程方便、價格低廉的顯著優點。通過CPLD和數據預生成的信號實現方法，無需改變硬件電路，即可實現信號參數的任意調整；同時外圍電路十分簡單，為工程調試和應用帶來了方便。其中波形仿真圖如圖4所示。

4 結 論

所設計的脈沖信號發生器，充分利用了單片機及CPLD二者的優點[6]，通過軟件和硬件的結合，能夠產生脈寬固定1 μs，周期可調的單頭、雙頭、三頭脈沖，達到了設計要求，既可以作為普通脈沖信號源使用，也可以在一些特殊信號的條件下使用。

圖3 CPLD電路連接Fig.3 CPLD circuit connection

圖4 波形仿真圖Fig.4 Simulation waveform diagram

[1]沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實現 [M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]李洪偉，袁斯華.基于Quartus II的FPGA/CPLD設計[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3]何畋，劉保華.基于單片機的脈沖發生器的設計與應用[J].微處理機，2003（4）：52-53.

HE Tian，LIU Bao-hua.Design and application of pulse producer based on single-chip computer[J].Microprocessors，2003（4）：52-53.

[4]陳志斌，卓家靖.基于單片機和CPLD的嵌入式脈沖發生器設計[J].微計算機信息，2005，21（2）：107-108.

CHEN Zhi-bin，ZHUO Jia-jing.The design of embedded alterable frequency pulse generator based on single chip and CPLD[J].Microcomputer Information，2005，21（2）：107-108.

[5]何其銳，楊健君.利用單片機和CPLD實現高速信號發生器[J].電子器件，2006，29（1）：198-200.

HE Qi-rui，YANG Jian-jun.Accomplished high-speed signal generators by use of MCU and CPLD[J].Electronic Element，2006，29（1）：198-200.

[6]趙紅赟，張友鵬，鄭偉.基于CPLD和單片機的脈沖計數器設計與實現[J].北京電子科技學院學報，2009，17（2）：83-85.

ZHAO Hong-yun，ZHANG You-peng，ZHENG Wei.Design of pulse counter based on CPLD and SCM[J].Journal of Beijing Electronic Science and Technology Institute，2009，17（2）：83-85.