摘 要：针对通常微控制器(Multi Control Unit, MCU)接口设计方法所需芯片种类多、印刷线路板面积大及设计复杂等缺点，采用复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)设计方法，合理设计智能仪器仪表的微控制器外围电路.微控制器外围的看门狗监视电路、接口电路、地址锁存器、地址译码器和I/O扩展接口由CPLD XC9572XL编程实现.CPLD多种数字逻辑系统功能的实现，使芯片种类和数量减少、管脚定义灵活、电路板设计简化.实验表明：系统体积缩小，系统的性能和可靠性提高.由MCU和CPLD组成的高性能和高可靠性的嵌入式仪器仪表为船用仪器仪表系统提供新的途径.
关键词：智能仪器仪表； 复杂可编程逻辑器件； 微控制器； 外围电路； 船用仪表
中图分类号：U665.14； TP273文献标志码：A
Display interface for marine instrument based on MCU and CPLD
XIA Yongminga, SHI Jingb
(a. Logistics Eng. College; b. Academy of Sci. & Tech., Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)
Abstract： Due to the usual design method of the MCU interface has such disadvantages as too many types of chip needed, large area of printed board, complicated design, taken the advantage of the method of the complex programmable logic device CPLD, the microcontroller unit (MCU’s peripheral circuit of the intelligent instrumentation) is designed. The watchdog’s monitoring circuit, interface circuit, address latch, address decoder and expanding of the I/O are realized by programming the CPLD XC9572XL. The realization of multiple digital logic functions of the CPLD can reduce the type and the number of the chip. And the flexibility of the pin definition can simplify the design of the circuit board. Experiments show that the system size is reduced and the reliability and performance are improved. The embedded instrumentation with high-performance and high-reliability based on MCU and CPLD provides a new way for marine instrumentation system.
Key words： intelligent instrumentation; CPLD; MCU; peripheral circuit; marine instrument
0 引 言
仪器仪表被广泛应用于交通运输、机械、电子、冶金和航天装备等各个领域，其技术发展直接影响自动化技术、控制网络和安全控制技术的发展.
近年来，国际上智能化测量控制仪表发展迅速.国内市场上也出现多种智能化测量控制仪表，但总体上看，我国的仪器仪表产品市场竞争力较弱，迫切需要加大仪器仪表方面研究工作的力度，研制出具有自主知识产权和自主创新的仪器仪表.
随着科学技术的迅速发展，尤其是微电子、计算机和通信技术变化日新月异，仪表从模拟仪表到数字仪表，已逐渐向智能化和网络化方向发展.智能仪表一方面可以通过现场总线接入自动测试系统；另一方面，使用者借助面板上的键盘和显示屏，可用对话方式选择测量功能并设置参数，组成现场总线自动检测控制系统，也可以通过网络组成仪表校验、测试和管理系统.
智能化仪表的核心是单片机，由于其主要用于控制，故习惯将单片机称为微控制器(Multi Control Unit，MCU)，用以实现各种测量和控制功能，其功能强、体积小，在应用时通常处于控制系统的核心地位并融入其中.从结构上看，单片机把微型机主要部件集成在1块芯片上.但组成微型计算机测量和控制系统还必须包括外围设备和通信设备，一般用通用可编程接口（如8255）和标准集成芯片进行扩展，通过印刷电路板连接，搭建系统.该设计方法所需芯片种类多、数量大，占用印刷线路板面积大，设计时缺少灵活性.本系统摒弃标准集成块+印板连线的传统设计方法，采用新的基于芯片的可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）设计方法，将可编程技术应用到器件的设计上.通过芯片设计实现多种数字逻辑系统功能和管脚定义：多种数字逻辑系统功能的实现，可减少芯片的种类和数量；管脚定义的灵活性，可简化电路板设计，缩小系统体积，提高系统的性能和可靠性.20世纪90年代后，复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）成为PLD产品主流，Xilinx的CPLD器件中常用的有XC 9500系列器件，其tPD①最快达3.5 ns，宏单元数达288个，可用门数达6 400个，系统时钟可达到200 MHz.值得注意的是：(1）器件采用快闪存储技术（FastFLASH），可在系统内编程，最小编程/擦除次数达10 000次，与E2CMOS工艺相比，功耗明显降低；(2）驱动负载能力强，每个输入/输出端口的负载电流可达24 mA，与其他公司的CPLD相比［1］，其负载能力更强，可直接驱动LED(Light Emitting Diode)显示，节省接口的驱动电路，缩小印刷线路板面积.传统设计方法一般使用逻辑代数化简，以所用门数较少且能达到设计要求为标准，而CPLD设计却以功能块FB(Function Block)为单元进行设计，以所用FB最少且能达到设计要求为标准.最常用的XC 9500XL性能参数见表1.XC 9500XL是XC 9500系列器件的3.3 V器件，本系统采用100 TQFP (Thin Quad Flat Package)封装XC 9572XL达到设计要求.
