用CPLD实现基于PC104总线的429接口板

PC104总线系统是一种新型的计算机测控平台，作为嵌入式PC的一种，在软件与硬件上与标准的台式PC(PC/AT)体系结构完全兼容，它具有如下优点：体积小、十分紧凑，并采用模块化结构，功耗低，总线易于扩充，紧固堆叠方式安装，适合于制作高密度、小体积、便携式测试设备，因此在军用航空设备上有着广泛的应用，但也正是PC104板的这种小尺寸结构、板上可用空间少给设计带来了一定的困难，所以本设计采用了复杂可编程器件CPLD，用CPLD完成了PC104总线与429总线通讯的主要电路，大大节省了硬件资源，本文着重介绍了CPLD部分的设计。

　　1 系统总体设计

　　CPLD是一种复杂的用户可编程逻辑器件，由于采用连续连接结构，易于预测延时，从而使电路仿真更加准确。再加上使用方便的开发工具，如MAX+PLUSII、Quartus等，使用CPLD器件可以极大地缩短产品开发周期，给设计修改带来很大方便。本论文描述了利用开发工具MAX+PLUS II实现CPLD处理ARINC429数据通信。系统设计方案如图1所示。

　　ARINC429收发电路部分，由两组3282和3l82芯片构成，其中每组芯片实现二路接收、一路发送，其中的控制信号均有CPLD编程产生：在CPLD部分，D[0...15]为16位双向数据总线，实现AR1NC429收发电路与PC104总线接口之间的数据通信，IO16为16位芯片选择信号；在PC104总线接口部分，XD[0...15]为16位双向数据总线，XA[1...9]为地址总线，连接CPLD，进行选片操作，XIOR和XIOW 为IO读写信号，XAEN 是允许DMA控制地址总线、数据总线和读写命令线进行DMA传输以及对存储器和I/O设备的读写。

　　2 系统硬件组成

　　429的PC104总线接口板的硬件组成框图如图2所示，主要包括AR1NC429收发电路(HS3282和HS3l82芯片组)、CPLD、429板与PC 机的接口总线PC104总线、与外部的429接口IDC16插座、中断控制开关等，其关系如图2所示。


　　本接口板元器件布局如图3所示。


　　3 CPLD内部功能及实现

　　3.1 开发流程描述

　　本系统中的CPLD使用Altera公司的MAX7000S系列可编程逻辑器件中的EPM7128SQC100-6型号，从最初的电路设计思想到MAX+PLUSII的波形仿真，再到CPLD芯片编程结束要经过的一般开发流程如图4所示。

　　3.2 CPLD中的模块设计

　　本设计中CPLD 的功能是实现ARINC429收发电路与接口板的接口总线PC104总线的数据通信。其功能模块可以分为6部分，以下逐一介绍各模块的功能及其实现的方法。

　　(1)产生AR1NC429控制器HS3282所需的TTCLK时钟信号模块

　　TTCLK即发射器时钟信号，本设计中该信号有480 KHZ和1 MHZ两种可选频率，是由一个48 MHZ的晶振提供信号给CPLD，然后由CPLD编程产生480KHZ和1MHZ两种信号以备选择。该模块用图形编辑的方式实现。要产生3282所需要的480KHZ信号需要对输入48MHZ信号进行两次10分频，要产生1 MHZ信号需要对输入信号进行6分频再8分频。6分频电路采用3个JK触发器实现，8分频电路采用74393实现，10分频电路采用7490实现。

　　(2)产生复位信号/MR和控制发射器使能信号ENTX的信号ENT模块

　　/MR是对3282的主复位信号，/MR将直接送到HS3282，而ENT将送到另一模块中，用于控制发射器使能信号ENTX的产生，ENTX=ENT*/TXR，其中TXR为发送缓冲区空标志。该模块也采用电路设计输入方式。其电路主要由4个D型触发器74LS74芯片来完成。输入为总线驱动器的前4个输出，即D0～D3，时钟脉冲为产生HS3282读写信号模块的一个输出信号/WR3，输出为两个HS3282的复位信号/MR1和/MR2以及ENT1和ENT2。本模块具体实现电路如图5所示。

   
    (3)产生片选信号/MCS的模块

　　

  

         本模块产生的/MCS信号用于驱动双向总线驱动器，进行数据传输，并用于选片对HS3282进行读写。此模块用一片8位判决电路74LS688来实现其功能。其中P5-P1接一组基址选择开关，Q5~Q1分别接PC104总线的地址总线的XA7、XA9、XA8、XA6和XA5，G接PC104总线的地址使能信号端XAEN。只有当XAEN输入为低时，并且P5～Pl与Q5-Q1的对应端相等时，输出为低，才有效。

         (4)双向总线驱动器模块

　　

  

         该模块实现AR1NC429收发电路与接口板的接口总线PC104总线的16位数据传输。该模块设计过程为，先用VHDL设计输入方式设计两个单向三态数据收发器，然后用电路设计输入方式，将两个单向数据收发器合成为一个双向数据收发器。双向总线驱动器模块的功能表如表1所示。

  

　　 表1 双向总线驱动器模块的功能表 使能信号E 方向DIR 操作



  

  

　　双向总线驱动器模块产生其一个单向三态数据收发器(TRI_GATE1)的VHDL语言设计如下

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)；

--向模块2中送数据的4个输出端

end tri_gatel；

architecture behav of tri_gate1 is

begin

process

begin

if en='1' then --EN为高电平时收发器有效

b0<=a0；b1<=a1；b2<=a2；b3<=a3；b<=a；

D0<=a0；D1<=a1；D2<=a2；D3<=a3；

else --EN为低时高阻状态

b0<=一Z；b1<=-Z；b2<=-Z ；b3<='Z'；b<="ZZZZZZZZZZZZ"；

end if

end process；

end behav；

  

        产生另一个单向三态数据收发器(TRI_GATE)的VHDL语言与此类似，只是少了D0～D3的输出部分。两个单向三态数据收发器构成双向总线驱动器的电路设计如图6所示(D0_out～D3_out作为图5中的D0-D3输入)

  

　　(5)产生HS3282读信号与写信号和ENTX使能信号模块

本模块要实现的功能是产生HS3282的读写信号和发送使能信号及一个送入PC104总线的输入输出16位芯片选择信号/IO16。该模块用VHDL语言输入，其相应的VHDL语言如下

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； --产生写信号

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；--产生读信号

ENTX1<=ENT1 and(not TXR1)；

ENTX2<=ENT2 and(not TXR2)；--产生发送使能信号

end process；

end behav；

  

        (6)中断控制模块

  

         本模块用于实现中断控制操作，有一个接收器满便产生中断，产生中断时亦能判断出中断源。该模块是用VHDL输入方式产生的，其相应的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；

--产生中断时用来判断哪个接收器满

D4<=TXR1；

D5<=TXR2；

--用来判断哪一个发送缓冲区空

else

D0<='Z'；D1<'Z'；D2<='Z'；D3<='Z'；D4<='Z'；D5<='Z'；

endif；

INT<=not(DR11 and DR12 and DR21 and DR22)； --有一个接收器满便产生中断

end process；

end behav；

  

        3.3 CPLD程序的下载

　　

  

         各输入模块经过编译处理，根据其相互关系连结，再通过功能仿真和时序仿真确认无误后，对各输入输出端口进行管脚分配。当整个设计完成时，MAX+PLUSII将生成一个文件(.pof)，该文件通过下载电缆从JTAG口传送到PC104板上的CPLD芯片内部。这样就可将CPLD构造成自己的专用芯片，由此便可以对设计的PC104板卡进行调试。调试过程中CPLD的设计部分还可根据需要进行修改，只是修改后要重新产生.pof文件，重新将文件加载到芯片中。

  

        4 结束语

　　

  

         针对PC104接口板的尺寸小的特点，本论文介绍了用CPLD实现基于PC104总线的429接口板，CPLD大大节省了硬件资源，同时也节省了板卡上的可利用空间，彻底解决了PC104 板卡的小尺寸给设计带来的困难。且CPLD修改简单，给调试工作带来了方便。该板卡经过调试后实验，可稳定工作。实验结果表明：应用CPLD简化了系统结构，缩短了设计周期，提高了系统的可靠性。