單片機與CPLD的協處理研究

崔秀敏+朱向榮

摘 要：單片機具有邏輯控制功能靈活、成本低、易于產品化等優點，但單片機作為控制核心，硬件連線復雜、可靠性差，實際應用中需要外加擴展芯片，增加控制系統的體積；CPLD具有集成度高、可靠性好及工作速度快、與外圍電路接口方便的優點；兩者的組合使用，能夠充分發揮兩種器件各自的優點。該文就是基于此提出了單片機與CPLD協處理的研究及實現方法。

關鍵詞：CPLD 單片機 協處理

中圖分類號：TP910 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（b）-0043-02

單片微型計算機（單片機）自問世以來，因其小巧靈活、成本低、控制能力強、易于產品化等優勢，在社會各領域中得到廣泛的應用。然而，隨著信息時代的到來，傳統單片機固有的結構缺陷，使其呈現出諸多弊端， 單片機的端口數目、內部定時器和中斷源的數目都有限，在應用中往往要加外圍擴展芯片，這就增加了系統硬件的復雜程度；若選擇CPLD作為系統控制核心，不僅可以簡化系統設計，而且提高了系統的整體性能和系統穩定性，但若單獨通過CPLD完成整個系統的控制功能，則需選用內部容量大，可用門數多的CPLD器件，這勢必使系統功耗和成本都有所提高，而且控制時序的實現也相當復雜，應用者開發起來比較費力。該文提出一種基于CPLD與單片機技術的協處理方法。

1 硬件組成

該設計中單片機采用Atmel公司的89S52，CPLD采用XILINX的XCR3256XL；電源采用9 V的交流或直流電源，經LM7805穩壓，為開發板提供5 V的直流電源；外部數據存儲器擴展采用了一片6264；通過兩片74LS377擴展了16個輸出I/O；開發板設計了一路RS232接口，可以通過單片機的串口與PC機進行通信。A/D轉換電路利用了ADC0809來實現。如框圖1所示。

對于簡單的項目，可由單片機或CPLD單獨完成。對于復雜項目，可由單片機和CPLD聯合完成。CPLD與單片機雙向通信，由單片機作為主控制器，處理各種信息。接收用戶操作指令并控制各個電路進行工作。其與RS232接口芯片相連，可與PC及其他設備進行串口通信，其Po和P213與CPLD相連，并可以通過CPLD進行接口擴展控制更多的外部電路。

2 軟件實現

CPLD可選用ISE軟件，采用VHDL或Verilog語言編程，編譯成功后，通過Xilinx并口下載線下載到芯片中即可；單片機部分可選用通用的Keil軟件，將程序編譯成.HEX或.BIN后，下載到單片機芯片中即可。下載軟件可選擇網上流行的免費軟件Easy51Pro。

3 應用測試

利用CPLD和單片機協處理開發板設計一顯示模塊來驗證協處理的功能。其接線圖如圖2所示。

單片機的外部數據輸出時序如圖3所示，該時序是51單片機在執行MOVX @DPTR，A時的接口時序，為使協處理器接收來自單片機的數據，其必須實現：

（1）在ALE下降沿鎖存P0口的低8位地址和P2口的高8位地址；

（2）在WR的下降沿鎖存P0口的8位數據；

（3）比較16位地址是否與指定的顯示緩沖區地址相同，若相同，將數據存入顯示緩沖區；

（4）利用動態顯示技術控制將緩沖區中的數據顯示在數碼管上。

在51單片機上定義協處理的顯示緩沖區地址為0020H和0021H，編寫程序如下：

MOV DPTR，#0020A

MOV A，#34H

MOVX DPTR，#0021H

MOV A，#12H＼

MOVX @DPTR，A

在Keil C51環境中編譯成功，通過一個集成開發環境（μVision）下載到89S52中。

CPLD部分采用VHDL語言編程。其框圖如圖4所示。

在ISE環境中，編譯，仿真，符合設計要求，下載到芯片中，結果如圖5所示。

利用協處理器，開發板上顯示結果正確，比較不用該協同設計技術實現相同功能，51單片機程序簡單，運行速度提高。

4 結論

單片機+CPLD可以作為電子系統設計的一個框架，單片機智能控制靈活、邏輯運算能力強，可以實現復雜智能的控制與檢測；CPLD集成度高、運算速度快，可以實現靈活多變的外圍擴展電路設計，尤其是可以用硬件實現特殊的單片機無法實現的功能，相互彌補，使設計的系統具有結構緊湊、體積小，可靠性高等優點，完全能夠達到設計者的要求。

參考文獻

[1] 王振紅，李洋.由可編程邏輯器件和單片機構成的雙控制器[J].電子技術應用，2002（1）：79-81.

[2] 潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京：清華大學出版社，2005：13-67.

[3] 陳云洽，保延翔.CPLD應用技術與數字系統設計[M].北京電子工業出版社，2005：47-98.