基于單片機與CPLD的無線控制系統

摘要：介紹一種基于單片機與CPLD結合的傳感器網絡節點的無線控制系統。節點中單片機對無線命令進行譯碼，并對外圍子模塊進行控制，CPLD擴展控制系統的并行I／O端口、SPI串行接口等，從而根據系統需要可擴展無線傳感網絡節點的外圍功能模塊。采用單片機與CPLD模塊化設計方法，降低了設計成本，方便電路的多次改進，為傳感器網絡節點在不同場合的應用提供了一種通用的方法。
關鍵詞：單片機I／O端口擴展；CPLD；控制節點；SPI串行接口擴展

0 引 言
自單片機引入我國以來，相關產品的普及促使單片機的應用設計日益廣泛。傳統的單片機控制系統由單片機以及外圍擴展芯片組成，但是這些外，圍芯片一般具有接線重復性高、體積大等缺點。可編程邏輯宏單元或邏輯塊之間的相互連線在同一封裝內，受外界干擾影響小，電磁兼容(EMC)性能好。對設計者來說，CPLD器件最大的優點在于可現場編程，改變邏輯關系時，無需更改外部線路板，只需用圖形語言程序或硬件描述語言程序來改變電路，生成下載編輯軟件，通過下載電纜輸入CPLD器件即可，非常方便，特別有利于新品試制，大大縮短了開發周期。使用CPLD和單片機結合構成其外圍電路可以減少系統芯片數量，縮小系統體積，提高系統可靠性。

1 控制系統
該系統是一個無線傳感器網絡節點的控制系統，它用于控制無線模塊接收主站發送過來的信息，單片機讀取這些數據并譯碼后，根據譯碼結果控制各功能子模塊，如無線模塊控制、溫度采集控制、電源管理控制、時間統一信號控制等功能，共需要28個輸出控制I／O口，13個輸入控制I／O口，擴展I／O端口分配8個。各外圍模塊通過SPI串行標準接口的擴展與單片機和CPLD進行通信，并完成數據傳輸控制功能。各外圍模塊只需接受MCU的控制命令，即可獨立完成外圍模塊各自的功能：無線模塊的收發、數據采集A／D轉換、時間統一記錄、電源管理等。同時預留單片機通過USART的串口輸出，另外，還需要此系統具有很好的擴展性，通過擴展外圍模塊來增加節點不同的功能。系統設計要求如圖1所示。

根據設計要求，單片機系統要8 b的UART串行輸出以及SPI串行輸入輸出，同時為了完成各種控制功能，單片機必須至少擴展7個I／O端口。如果使用傳統的擴展方法，在輸出速率要求不高的情況下，并行接口通常使用8255傳統的微處理器接口芯片來擴展。
但是，這些芯片都是40腳DIP封裝，體積龐大，并且每片最多只能擴展3個8 b I／O端口，還要考慮8255中A，B，C口是作為輸入口還是輸出口。當需要的控制端口較多時，不得不用多個這種專用芯片。這時需重復連接多片8255的8位數據線、單片機讀／寫信號線、ALE，CS(片選)和A0，A1信號線，增加了單片機硬件、軟件的設計難度，也就造成電路復雜、控制不便、可靠性降低，而且增大了電路的功耗、體積和重量。同時接口芯片提供的端口數未必與實際需要的端口數相等，不能根據實際情況分配I／O端口的數量，容易造成芯片部分資源的浪費。而CPLD具有豐富的可編程I／O引腳，并且由于其在系統可編程的特點，設計者能夠自己定義器件的內部邏輯和管腳，擴展電路也具有可編程設計的特點，方便電路的多次改進，降低了設計成本。

2 單片機與CPLD
AVR單片機，采用精簡指令集CPU(RISC)，具有高性能，處理速度快(1 MIPS／MHz)，成本低，包括FLASH程序存儲器、看門狗、E2PROM、同／異步串口、SPI、ADC、定時器／計數器，眾多的中斷系統，集成多種功能，具有低功耗抗干擾的休眠模式。
復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)是一種半定制的專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)。其芯片上按一定排列方式集成了大量的門和觸發器等基本邏輯元件。通過軟件編程可以實現這些元件的連接，從而使之完成某個邏輯電路或系統的功能，成為一個可在實際電子系統中使用的ASIC。
目前，最大的兩家CPLD／FPGA生產廠商分別是ALTERA以及Xilinx。該系統使用的Xilinx的XC2C256屬于XiIinx公司的Coolrunner2系列，包含256個宏單元，最大用戶I／O管腳有100個。