基于单片机与CPLD的无线控制系统

摘要：介绍一种基于单片机与CPLD结合的传感器网络节点的无线控制系统。节点中单片机对无线命令进行译码，并对外围子模块进行控制，CPLD扩展控制系统的并行I／O端口、SPI串行接口等，从而根据系统需要可扩展无线传感网络节点的外围功能模块。采用单片机与CPLD模块化设计方法，降低了设计成本，方便电路的多次改进，为传感器网络节点在不同场合的应用提供了一种通用的方法。
关键词：单片机I／O端口扩展；CPLD；控制节点；SPI串行接口扩展

0 引 言
自单片机引入我国以来，相关产品的普及促使单片机的应用设计日益广泛。传统的单片机控制系统由单片机以及外围扩展芯片组成，但是这些外，围芯片一般具有接线重复性高、体积大等缺点。可编程逻辑宏单元或逻辑块之间的相互连线在同一封装内，受外界干扰影响小，电磁兼容(EMC)性能好。对设计者来说，CPLD器件最大的优点在于可现场编程，改变逻辑关系时，无需更改外部线路板，只需用图形语言程序或硬件描述语言程序来改变电路，生成下载编辑软件，通过下载电缆输入CPLD器件即可，非常方便，特别有利于新品试制，大大缩短了开发周期。使用CPLD和单片机结合构成其外围电路可以减少系统芯片数量，缩小系统体积，提高系统可靠性。

1 控制系统
该系统是一个无线传感器网络节点的控制系统，它用于控制无线模块接收主站发送过来的信息，单片机读取这些数据并译码后，根据译码结果控制各功能子模块，如无线模块控制、温度采集控制、电源管理控制、时间统一信号控制等功能，共需要28个输出控制I／O口，13个输入控制I／O口，扩展I／O端口分配8个。各外围模块通过SPI串行标准接口的扩展与单片机和CPLD进行通信，并完成数据传输控制功能。各外围模块只需接受MCU的控制命令，即可独立完成外围模块各自的功能：无线模块的收发、数据采集A／D转换、时间统一记录、电源管理等。同时预留单片机通过USART的串口输出，另外，还需要此系统具有很好的扩展性，通过扩展外围模块来增加节点不同的功能。系统设计要求如图1所示。

根据设计要求，单片机系统要8 b的UART串行输出以及SPI串行输入输出，同时为了完成各种控制功能，单片机必须至少扩展7个I／O端口。如果使用传统的扩展方法，在输出速率要求不高的情况下，并行接口通常使用8255传统的微处理器接口芯片来扩展。
但是，这些芯片都是40脚DIP封装，体积庞大，并且每片最多只能扩展3个8 b I／O端口，还要考虑8255中A，B，C口是作为输入口还是输出口。当需要的控制端口较多时，不得不用多个这种专用芯片。这时需重复连接多片8255的8位数据线、单片机读／写信号线、ALE，CS(片选)和A0，A1信号线，增加了单片机硬件、软件的设计难度，也就造成电路复杂、控制不便、可靠性降低，而且增大了电路的功耗、体积和重量。同时接口芯片提供的端口数未必与实际需要的端口数相等，不能根据实际情况分配I／O端口的数量，容易造成芯片部分资源的浪费。而CPLD具有丰富的可编程I／O引脚，并且由于其在系统可编程的特点，设计者能够自己定义器件的内部逻辑和管脚，扩展电路也具有可编程设计的特点，方便电路的多次改进，降低了设计成本。

2 单片机与CPLD
AVR单片机，采用精简指令集CPU(RISC)，具有高性能，处理速度快(1 MIPS／MHz)，成本低，包括FLASH程序存储器、看门狗、E2PROM、同／异步串口、SPI、ADC、定时器／计数器，众多的中断系统，集成多种功能，具有低功耗抗干扰的休眠模式。
复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)是一种半定制的专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)。其芯片上按一定排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件。通过软件编程可以实现这些元件的连接，从而使之完成某个逻辑电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的ASIC。
目前，最大的两家CPLD／FPGA生产厂商分别是ALTERA以及Xilinx。该系统使用的Xilinx的XC2C256属于XiIinx公司的Coolrunner2系列，包含256个宏单元，最大用户I／O管脚有100个。