PC104總線系統(tǒng)是一種新型的計(jì)算機(jī)測(cè)控平臺(tái)，作為嵌入式PC的一種，在軟件與硬件上與標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)式PC(PC/AT)體系結(jié)構(gòu)完全兼容，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：體積小、十分緊湊，并采用模塊化結(jié)構(gòu)，功耗低，總線易于擴(kuò)充，緊固堆疊方式安裝，適合于制作高密度、小體積、便攜式測(cè)試設(shè)備，因此在軍用航空設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用，但也正是PC104板的這種小尺寸結(jié)構(gòu)、板上可用空間少給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難，所以本設(shè)計(jì)采用了復(fù)雜可編程器件CPLD，用CPLD完成了PC104總線與429總線通訊的主要電路，大大節(jié)省了硬件資源，本文著重介紹了CPLD部分的設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
CPLD是一種復(fù)雜的用戶可編程邏輯器件，由于采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測(cè)延時(shí)，從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。再加上使用方便的開(kāi)發(fā)工具，如MAX+PLUSII、Quartus等，使用CPLD器件可以極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，給設(shè)計(jì)修改帶來(lái)很大方便。本論文描述了利用開(kāi)發(fā)工具M(jìn)AX+PLUS II實(shí)現(xiàn)CPLD處理ARINC429數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
ARINC429收發(fā)電路部分，由兩組3282和3l82芯片構(gòu)成，其中每組芯片實(shí)現(xiàn)二路接收、一路發(fā)送，其中的控制信號(hào)均有CPLD編程產(chǎn)生：在CPLD部分，D[0...15]為16位雙向數(shù)據(jù)總線，實(shí)現(xiàn)AR1NC429收發(fā)電路與PC104總線接口之間的數(shù)據(jù)通信，IO16為16位芯片選擇信號(hào)；在PC104總線接口部分，XD[0...15]為16位雙向數(shù)據(jù)總線，XA[1...9]為地址總線，連接CPLD，進(jìn)行選片操作，XIOR和XIOW 為IO讀寫信號(hào)，XAEN 是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和讀寫命令線進(jìn)行DMA傳輸以及對(duì)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備的讀寫。
2 系統(tǒng)硬件組成
429的PC104總線接口板的硬件組成框圖如圖2所示，主要包括AR1NC429收發(fā)電路(HS3282和HS3l82芯片組)、CPLD、429板與PC 機(jī)的接口總線PC104總線、與外部的429接口IDC16插座、中斷控制開(kāi)關(guān)等，其關(guān)系如圖2所示。
本接口板元器件布局如圖3所示。
3 CPLD內(nèi)部功能及實(shí)現(xiàn)
3.1 開(kāi)發(fā)流程描述
本系統(tǒng)中的CPLD使用Altera公司的MAX7000S系列可編程邏輯器件中的EPM7128SQC100-6型號(hào)，從最初的電路設(shè)計(jì)思想到MAX+PLUSII的波形仿真，再到CPLD芯片編程結(jié)束要經(jīng)過(guò)的一般開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。
3.2 CPLD中的模塊設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中CPLD 的功能是實(shí)現(xiàn)ARINC429收發(fā)電路與接口板的接口總線PC104總線的數(shù)據(jù)通信。其功能模塊可以分為6部分，以下逐一介紹各模塊的功能及其實(shí)現(xiàn)的方法。
(1)產(chǎn)生AR1NC429控制器HS3282所需的TTCLK時(shí)鐘信號(hào)模塊
TTCLK即發(fā)射器時(shí)鐘信號(hào)，本設(shè)計(jì)中該信號(hào)有480 KHZ和1 MHZ兩種可選頻率，是由一個(gè)48 MHZ的晶振提供信號(hào)給CPLD，然后由CPLD編程產(chǎn)生480KHZ和1MHZ兩種信號(hào)以備選擇。該模塊用圖形編輯的方式實(shí)現(xiàn)。要產(chǎn)生3282所需要的480KHZ信號(hào)需要對(duì)輸入48MHZ信號(hào)進(jìn)行兩次10分頻，要產(chǎn)生1 MHZ信號(hào)需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行6分頻再8分頻。6分頻電路采用3個(gè)JK觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，8分頻電路采用74393實(shí)現(xiàn)，10分頻電路采用7490實(shí)現(xiàn)。
(2)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)/MR和控制發(fā)射器使能信號(hào)ENTX的信號(hào)ENT模塊
/MR是對(duì)3282的主復(fù)位信號(hào)，/MR將直接送到HS3282，而ENT將送到另一模塊中，用于控制發(fā)射器使能信號(hào)ENTX的產(chǎn)生，ENTX=ENT*/TXR，其中TXR為發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志。該模塊也采用電路設(shè)計(jì)輸入方式。其電路主要由4個(gè)D型觸發(fā)器74LS74芯片來(lái)完成。輸入為總線驅(qū)動(dòng)器的前4個(gè)輸出，即D0～D3，時(shí)鐘脈沖為產(chǎn)生HS3282讀寫信號(hào)模塊的一個(gè)輸出信號(hào)/WR3，輸出為兩個(gè)HS3282的復(fù)位信號(hào)/MR1和/MR2以及ENT1和ENT2。本模塊具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。
(3)產(chǎn)生片選信號(hào)/MCS的模塊
本模塊產(chǎn)生的/MCS信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)雙向總線驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并用于選片對(duì)HS3282進(jìn)行讀寫。此模塊用一片8位判決電路74LS688來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。其中P5-P1接一組基址選擇開(kāi)關(guān)，Q5~Q1分別接PC104總線的地址總線的XA7、XA9、XA8、XA6和XA5，G接PC104總線的地址使能信號(hào)端XAEN。只有當(dāng)XAEN輸入為低時(shí)，并且P5～Pl與Q5-Q1的對(duì)應(yīng)端相等時(shí)，輸出為低，才有效。
(4)雙向總線驅(qū)動(dòng)器模塊
該模塊實(shí)現(xiàn)AR1NC429收發(fā)電路與接口板的接口總線PC104總線的16位數(shù)據(jù)傳輸。該模塊設(shè)計(jì)過(guò)程為，先用VHDL設(shè)計(jì)輸入方式設(shè)計(jì)兩個(gè)單向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器，然后用電路設(shè)計(jì)輸入方式，將兩個(gè)單向數(shù)據(jù)收發(fā)器合成為一個(gè)雙向數(shù)據(jù)收發(fā)器。雙向總線驅(qū)動(dòng)器模塊的功能表如表1所示。
表1 雙向總線驅(qū)動(dòng)器模塊的功能表 使能信號(hào)E 方向DIR 操作
雙向總線驅(qū)動(dòng)器模塊產(chǎn)生其一個(gè)單向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器(TRI_GATE1)的VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)如下
library ieee；
use ieee.std_logic_1164.all；
entity tri_gate1 is
port(a0，al，a2，a3：in std_ logic；
a：in std_logic_vector(15 downto 4)；
en：in std_logic；
b0，b1，b2，b3：out std_logic；
b：out std_logic_vector(15 downto 4)：
D0，D1，D2，D3：out std_logic)；
--向模塊2中送數(shù)據(jù)的4個(gè)輸出端
end tri_gatel；
architecture behav of tri_gate1 is
begin
process
begin
if en='1' then --EN為高電平時(shí)收發(fā)器有效
b0<=a0；b1<=a1；b2<=a2；b3<=a3；b<=a；
D0<=a0；D1<=a1；D2<=a2；D3<=a3；
else --EN為低時(shí)高阻狀態(tài)
b0<=一Z；b1<=-Z；b2<=-Z ；b3<='Z'；b<="ZZZZZZZZZZZZ"；
end if
end process；
end behav；
產(chǎn)生另一個(gè)單向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器(TRI_GATE)的VHDL語(yǔ)言與此類似，只是少了D0～D3的輸出部分。兩個(gè)單向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器構(gòu)成雙向總線驅(qū)動(dòng)器的電路設(shè)計(jì)如圖6所示(D0_out～D3_out作為圖5中的D0-D3輸入)
(5)產(chǎn)生HS3282讀信號(hào)與寫信號(hào)和ENTX使能信號(hào)模塊
本模塊要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生HS3282的讀寫信號(hào)和發(fā)送使能信號(hào)及一個(gè)送入PC104總線的輸入輸出16位芯片選擇信號(hào)/IO16。該模塊用VHDL語(yǔ)言輸入，其相應(yīng)的VHDL語(yǔ)言如下
library ieee；
use ieee.std logic_1164.all；
entity gal4243 is
port(MCS，XIOW,XIOR，A1，A2，A3，A4，ENT1，
ENT2，TXR1，TXR2： in std_logic；
WR0，W Rl，WR2，W R3，WR4，W R5，W R6：
out std_logic；
RD0，RD1，RD2，RD3，RD4：out std_logic；
IO16，ENTX1，ENTX2：out std_logic)；
end gal4243；
architecture behav of gal4243 is
begin
process
begin
WR6<=XIOW or MCS or A4 or(not A3) or(not A2)or A1；
WR5<=XIOW or MCS or A4 or(not A3) or A2 or(not A1)；
WR4<=XIOW or MCS or A4 or(not A3) or A2 or A1；
WR3<=XIOW or MCS or A4 or A3 or(not A2)or(not A1)；
WR2<=XIOW or MCS or A4 or A3 or(not A2)or A1；
WR1<=XIOW or MCS or A4 or A3 or A2 or(not A1)；
WR0<=XIOW or MCS or A4 orA3 or A2 or A1； --產(chǎn)生寫信號(hào)
if MCS='0' then
IO16<=MCS；
else
IO16<='Z';
endif；
RD4<=XIOR or MCS or(notA4)orA3 or A2；
RD3<=XIOR or MCS or A4 or(not A3)or(not A2)；
RD2<=XIOR or MCS or A4 or(not A3)or A2；
RDI<=XIOR or MCS or A4 or A3 or(not A2)
RD0<=XIOR or MCS or A4 or A3 orA2；--產(chǎn)生讀信號(hào)
ENTX1<=ENT1 and(not TXR1)；
ENTX2<=ENT2 and(not TXR2)；--產(chǎn)生發(fā)送使能信號(hào)
end process；
end behav；
(6)中斷控制模塊
本模塊用于實(shí)現(xiàn)中斷控制操作，有一個(gè)接收器滿便產(chǎn)生中斷，產(chǎn)生中斷時(shí)亦能判斷出中斷源。該模塊是用VHDL輸入方式產(chǎn)生的，其相應(yīng)的VHDL程序如下
library ieee；
use ieee.std logic_1164.all；
entity U32 is
port(TXR1，DR11,DR12，TXR2，DR21，DR22，RD4：in std_logic；
D0，D1,D2，D3，D4，D5，INT：out std_logic)；
end U32；
architecture behav of U32 is
begin
process
begin
if RD4='0' then
D0<=not DR11：
D1<=not DR12；
D2<=not DR21；
D3<=not DR22；
--產(chǎn)生中斷時(shí)用來(lái)判斷哪個(gè)接收器滿
D4<=TXR1；
D5<=TXR2；
--用來(lái)判斷哪一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)空
else
D0<='Z'；D1<'Z'；D2<='Z'；D3<='Z'；D4<='Z'；D5<='Z'；
endif；
INT<=not(DR11 and DR12 and DR21 and DR22)； --有一個(gè)接收器滿便產(chǎn)生中斷
end process；
end behav；
3.3 CPLD程序的下載
各輸入模塊經(jīng)過(guò)編譯處理，根據(jù)其相互關(guān)系連結(jié)，再通過(guò)功能仿真和時(shí)序仿真確認(rèn)無(wú)誤后，對(duì)各輸入輸出端口進(jìn)行管腳分配。當(dāng)整個(gè)設(shè)計(jì)完成時(shí)，MAX+PLUSII將生成一個(gè)文件(.pof)，該文件通過(guò)下載電纜從JTAG口傳送到PC104板上的CPLD芯片內(nèi)部。這樣就可將CPLD構(gòu)造成自己的專用芯片，由此便可以對(duì)設(shè)計(jì)的PC104板卡進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中CPLD的設(shè)計(jì)部分還可根據(jù)需要進(jìn)行修改，只是修改后要重新產(chǎn)生.pof文件，重新將文件加載到芯片中。
4 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)PC104接口板的尺寸小的特點(diǎn)，本論文介紹了用CPLD實(shí)現(xiàn)基于PC104總線的429接口板，CPLD大大節(jié)省了硬件資源，同時(shí)也節(jié)省了板卡上的可利用空間，徹底解決了PC104 板卡的小尺寸給設(shè)計(jì)帶來(lái)的困難。且CPLD修改簡(jiǎn)單，給調(diào)試工作帶來(lái)了方便。該板卡經(jīng)過(guò)調(diào)試后實(shí)驗(yàn)，可穩(wěn)定工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用CPLD簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。
