自動控制的對象五花八門、品種繁多，要求控制器能夠模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、靈活配置;進入商品經(jīng)濟時代，允許設(shè)計者的開發(fā)周期越來越短，從幾年、幾月縮短到幾月、幾天;有時合同臨近結(jié)束前，用戶還會提出更改設(shè)計條款的要求。因此，需要設(shè)計者開發(fā)出適應(yīng)性強、便于修改、配置靈活的控制器，以滿足用戶需求，爭得商機。

    從成本考慮，有時以單片機為核心器件，量身度造地為被控對象設(shè)計專用控制器，仍是一種較好的選擇。

    CPLD器件與單片機結(jié)合優(yōu)勢互補、相得益彰

    單片機的一些優(yōu)缺點

    單片機具有強大的信息處理、邏輯分析、決策判斷等能力，借助程序，通過輸入/輸出接口，實時檢測被控對象的狀態(tài)，控制其當(dāng)前或預(yù)計的行為，組成智能化儀器設(shè)備。

    但是，單片機存在不可克服的缺點和弱點，如：

    低速　單片機靠執(zhí)行指令來完成各種功能，不論多高的工作時鐘頻率或多么好的指令時序，其排隊式串行指令執(zhí)行方式使得工作速度和效率大打折扣。在高速實時仿真、高速數(shù)據(jù)采集等方面顯得力不從心。

    復(fù)位工作方式　單片機工作之初，需花一段時間經(jīng)歷復(fù)位過程;工作時，在某種干擾性突變情況下，也會復(fù)位，復(fù)雜的復(fù)位過程很可能就是工作不可靠的根源。

    程序跑飛　偶然因素，會引起程序跑飛。雖然有“看門狗”或其他抗干擾措施，在極復(fù)雜的情況下，單片機的程序仍存在跑飛的可能，從而進入“死機”。

    在單片機系統(tǒng)中，單片機的芯片通過印制板與系統(tǒng)中由其他集成電路組成的邏輯電路相連。一旦改變設(shè)計，可能重新制版，加長了開發(fā)周期。

    CPLD器件的一些優(yōu)缺點

    隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，集成電路規(guī)模越來越大，產(chǎn)生了復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和現(xiàn)場可編程門陣列FP2GA(兩種器件有類似之處，以下用CPLD器件簡稱)，這些器件含有數(shù)量眾多的可編程邏輯宏單元或邏輯塊，他們能夠任意組合，設(shè)計成功能各異的邏輯電路。

    CPLD器件輸入引腳的箝位電平和輸出引腳的原始電平可預(yù)先設(shè)定，一開機立即就能達到預(yù)定電平，狀態(tài)明確。各邏輯宏單元或邏輯塊的輸入信號僅需幾ns～幾十ns就反映到輸出端，信號傳輸效率很高，適合高速采樣等場合。

    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(nèi)，受外界干擾影響小，電磁兼容(EMC)性能好。然而，對設(shè)計者來說，CPLD器件最大的優(yōu)點在于可現(xiàn)場編程。改變邏輯關(guān)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(fā)周期。

    CPLD器件雖然可任意組成各種邏輯電路，但在信息處理、邏輯分析、決策判斷等“智能”方面比不上單片機，雖說可用CPLD器件仿真單片機，但畢竟有差距，一般多用作“狀態(tài)機”或輔助邏輯電路。

    CPLD器件和單片機結(jié)合能優(yōu)勢互補

    如果把兩者結(jié)合起來，組成的控制器就能優(yōu)勢互補、相得益彰。大量工業(yè)控制的對象不屬高速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這時，圖1示例的控制線路比較節(jié)省硬件開銷，適合CPLD器件的特性，容易調(diào)試，抗干擾能力強。

    圖1　基于單片機和CPLD器件的控制器方框圖

    若是高速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，應(yīng)采用并行A/D轉(zhuǎn)換集成電路，用作輸入信號VI的采樣、轉(zhuǎn)換電路。

    開關(guān)型接口

    CPLD器件與外部設(shè)備的開關(guān)型的輸入/輸出端，可按圖2所示方式連接，構(gòu)成類似于PLC可編程控制器的開關(guān)型接口。有些設(shè)計者在a點處插入了整形電路，其實，當(dāng)CPLD器件與單片機結(jié)合時，可借助濾波軟件，消除抖動的影響，使得線路簡潔。經(jīng)實際使用，效果很好。

       圖2　開關(guān)型輸入/輸出接口

    在高速采樣或利用脈沖信號的競爭現(xiàn)象而工作的場合，CPLD器件比單片機更具有優(yōu)越性。例如，某型號分條整經(jīng)機，紗籠直徑650～1000mm，需要判別轉(zhuǎn)向。紗籠高速運轉(zhuǎn)時，A，B二路信號的時間差最小約240ns。這樣的時間差距，單片機很難處理;有時候又需要操作工人轉(zhuǎn)動紗籠，調(diào)整位置，速度往往幾乎為零，并可能反復(fù)變換方向。

    采用CPLD器件，組成如圖4所示的判向電路，A路信號從IN05引腳輸入，B路信號從IN10引腳輸入，方向信號從數(shù)據(jù)總線的DATA0取出(波形見圖5)，傳送給單片機。供單片機檢出和脈沖計數(shù)。

    這項應(yīng)用的難點，不僅在于高速時判別轉(zhuǎn)向，還在于工人轉(zhuǎn)動紗籠時，情況復(fù)雜多變。雖說傳感器內(nèi)部配備了斯密特整形電路，當(dāng)紗籠低速穿越傳感器時，拉長跨越門檻電平的時間，會產(chǎn)生一串不穩(wěn)定的跳變，發(fā)生計數(shù)錯誤。

    圖3　紗籠傳感器信號及波形示意圖

    圖4　判向電路

    借助單片機的特殊處理程序和CPLD器件中其他邏輯電路，該整經(jīng)機項目的控制器不論高速還是低速，都能可靠地檢出方向和脈沖個數(shù)，未發(fā)生過錯誤。

    圖5　判向電路的仿真波形圖

    模擬信號接口

    模擬信號輸入接口

    當(dāng)控制對象不需要高速采樣、高速調(diào)節(jié)時，采用圖1控制器方框圖中所示的模數(shù)轉(zhuǎn)換形式，能夠充分發(fā)揮CPLD器件邏輯宏單元可編程的長處。V/F轉(zhuǎn)換器把輸入的電壓信號轉(zhuǎn)為頻率信號，供CPLD器件中的計數(shù)器(圖1中未畫出)計數(shù)，從而把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該計數(shù)器的字長、進制、模式根據(jù)需要可任意編程設(shè)定，比使用單片機內(nèi)的計數(shù)器靈活方便。此處不詳敘。

    當(dāng)控制對象為高速系統(tǒng)時，可采用并行A/D轉(zhuǎn)換集成電路，這時宜采用并行口控制，可通過單片機或CPLD器件按常規(guī)方式對A/D電路的進行。

    模擬信號輸出接口

    輸出的調(diào)節(jié)信號，可采用脈寬調(diào)制(PWM)波形加低通濾波器方式，很方便地實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。PWM頻率越高，濾波效果越好，數(shù)模轉(zhuǎn)換通道如圖6所示。

    圖7是在CPLD器件內(nèi)設(shè)計的一個8位計數(shù)器PWM波形發(fā)生器的示例。填入不同的計數(shù)初值，將在PWMOUT端相應(yīng)輸出不同占空比的脈沖串(見圖8)。

    圖6　數(shù)模轉(zhuǎn)換通道示意圖

    圖7　8位計數(shù)器PWM波形發(fā)生器示例圖

    圖8　脈寬調(diào)制波形比較圖

    在圖7中，時鐘脈沖從P32引腳輸入，WRN是寫選通信號輸入端，PWMOUT是輸出端。

    如果只使用CPLD器件，PWM波的周期和脈寬形成電路會比較復(fù)雜。結(jié)合單片機以后，PWM波形的周期就是單片機定時訪問該計數(shù)器的WRN信號的周期，脈寬由單片機通過數(shù)據(jù)總線(DATA0～7)填入的計數(shù)初值決定。減少了CPLD器件內(nèi)可編程邏輯宏單元或邏輯塊數(shù)量的消耗。在圖6中，整形電路主要起限幅、隔離作用。限幅之后，使幅度保持一致，并加大脈沖的上升沿和下降沿的陡削度，保證后級轉(zhuǎn)換的電壓幅度主要取決于脈寬，減少附加誤差。

    濾波電路影響到轉(zhuǎn)換的線性度，根據(jù)不同的課題要求，可采用無源濾波器、有源一階、二階低通濾波器。巴特沃茲型濾波器具有平坦的通帶幅頻特性，最適于本轉(zhuǎn)換電路方式的需要。以圖9所示巴特沃茲二階低通濾波器為例，其截止頻率fo為：

    圖9　二階低通濾波器

    截至頻率fo應(yīng)該大于信號帶寬邊沿，但是要遠(yuǎn)小于PWM信號的頻率。濾波器R，C的取值直接影響轉(zhuǎn)換后的紋波幅度和轉(zhuǎn)換速率，兩者對R，C的要求正相反，應(yīng)均衡考慮。必要時，通過實驗選取合適的數(shù)值。

    脈寬調(diào)制(PWM)波加低通濾波而實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路，其精度主要取決于計數(shù)器的字長、PWM的頻率、低通濾波器的形式和元件選型。注意到這幾點，轉(zhuǎn)換效果令人滿意。本文以8位計數(shù)器舉例，實際應(yīng)用中，考慮種種因素，一般采用10～14位計數(shù)器。

    圖6中的功率放大級主要是把濾波器輸出的信號，以適當(dāng)?shù)姆糯?、反饋形式，轉(zhuǎn)換成符合Ⅱ型儀表、Ⅲ型儀表規(guī)定的電壓、電流信號，或轉(zhuǎn)換成其他觸發(fā)控制信號，以便與被控對象連接，調(diào)節(jié)其工作狀態(tài)。

    結(jié)語

    CPLD器件的物理機制像74系列、CD4000系列集成電路那樣，純屬硬件電路，十分可靠。繁雜的開發(fā)工作是依賴功能強大的EDA軟件實現(xiàn)的，入門門檻較低，易于初學(xué)者上手。目前正被越來越多的設(shè)計者青睞，普及推廣只是時間問題。

    隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，相信CPLD器件會有長足的進步，可能會與微機日益緊密結(jié)合，以致兩者間界限模糊，你中有我，我中有你。

    研制產(chǎn)品時，使CPLD器件與單片機的有機結(jié)合，不但縮短了開發(fā)周期，而且控制器配置靈活、修改方便、適應(yīng)性強，加大了研制的自由度。容易滿足用戶的多元需求，從而爭得商機。