CPLD的PLC背板总线协议接口芯片的设计方案

3 基于CPLD 的协议芯片实现

3.1 CPLD 芯片选型。

本设计选用lattice 公司的MachXO 系列芯片，该系列CPLD 集成了部分FPGA 的功能， 除了内置丰富的LUT 资源以外，还有大量分布式的SRAM 位和嵌入式的专用于FIFO 设计的SRAM 块， 并有模拟锁相环(PLL)支持时钟信号的倍频、分频等，I/O引脚可配置成1.2/1.5/1.8/3.3V 电平兼容。

3.2 基于Verilog HDL 语言的硬件程序设计

本设计采用Verilog HDL 语言进行协议芯片的程序设计，Verilog HDL 语言是一种硬件描述语言，设计数字芯片时可以按照层次描述，并可以进行时序建模。本设计采用混合设计模式，主要设计的模块有状态机、协议帧检测、FIFO 控制器设计等。

1)状态机设计。

协议芯片的顶层模块是状态控制器部分，协议芯片共有四个状态， 分别处理基于Verilog HDL 程序语言的状态机描述伪代码如下：

2)协议帧检测。

本协议芯片的帧校验和采用简单的加和形式进行，在接收一方，如果数据帧中有用数据的加和同后续的校验和字节相同，则协议是正确的，否则丢弃该帧。协议帧校验和计算的代码如下：

3)FIFO 设计。

FIFO 利用了MachXO 系列CPLD 的嵌入式SRAM 块的资源，Lattice 公司的ispLEVER 7.0 软件提供了可配置的IP 软核，该软核可以采用基于嵌入式SRAM 块实现， 也可以使用查找表实现，FIFO 的IP 核框图如图4 所示，FIFO 的可配置参数包括FIFO字节深度、EmptyFull、Almostempty 和AlmostFull触发字节深度、数据宽度、大小端模式等。

图4 可配置FIFO 控制器IP 软核框图

用Verilog HDL 语言实现的发送和接收FIFO控制器的实例代码如下：

3.3 协议芯片综合

Verilog HDL 程序通过Lattice 公司的CPLD 开发软件ispLEVER 7.0 进行编译、综合，多次尝试后最终选择了Lattice 公司MachXO 系列CPLD 中的MachXO2280 芯片， 综合后的主机协议芯片占用CPLD 资源的60%左右， 从机协议芯片占用CPLD资源的45%左右，FIFO 控制器充分利用了MachXO2280芯片内部的嵌入式RAM 块， 同时利用了锁相环实现高频率的时钟工作。最后通过LSC ispVM(R)System 烧写软件经JTAG 口下载到CPLD 芯片中进行协议芯片功能验证测试。

4 结语

本文设计的背板总线协议芯片在背板串行总线时钟频率为25MHz、信号电平为LVTTL,底板引线长度为40cm,1 台主机连接3 台扩展模块的情况下工作稳定并通过了群脉冲试验，验证了这一组协议芯片的设计是成功的。由于该组协议芯片是针对PLC 的周期性和非周期性数据传送专门设计的，硬件实现的协议帧控制器支持高速率通信、支持数据帧检验功能，避免了数据传送的错误，大大降低了外围单片机的软件开销，增强了可靠性，是一组非常适合用于PLC 背板总线或者需要多模块协同工作的背板总线系统协议芯片。