单片机脉冲信号源的CPLD实现方案

单片机产生的脉冲信号源由于是靠软件实现的，所以输出频率及步进受单片机时钟频率、指令数和指令执行周期的限制。文中介绍了一种以CPLD为核心的脉冲信号源，脉冲信号源的参数(频率、占空比)由工控机通过I／O板卡设置，设定的参数由数码管显示，这种脉冲信号源与其它脉冲信号发生电路相比具有输出频率高、步进小(通过选用高速CPLD可提高频率及缩小步进)、精度高、参数调节方便、易于修改等优点。

　　1 系统组成及工作原理

　　脉冲信号源电路核心采用一片可编程逻辑器件EPM7128SLC84—10，它属于Ahera公司MAX7000系列产品，MAX7000系列产品是高密度、高性能的CMOS EPLD，是工业界速度最快的可编程逻辑器件系列，它是在Ahera公司的第二代MAX结构基础上采用先进的CMOS EEPROM技术制造的。MAX7000系列产品包括MAX7000E、MAX7000S、MAX7000A，集成度为600~5 000可用门，有32～256个宏单元和36—155个用户I／0引脚。这些基于EEPROM的器件能够组合传输延迟快至5．0 ns，16位频率为178 MHz。此外，它们的输入寄存器的建立时间非常短，能够提供多个系统时钟且有可编程的速度／功率控制。

　　MAX7000S是MAX7000系列的增强型，具有高密度，是通过工业标准4引脚JTAG接口实现在线可编程的，在线编程电压为5 V。EPM7128SLC84—10有128个逻辑宏单元，2 500个门电路，8个逻辑阵列块，68个L／O管脚，速度等级为一6(传输延迟6 ns)，最高时钟频率为147．1 MHz。整个信号产生及数码显示控制电路(不包括驱动)集成在一片中。脉冲信号源电路由时钟源、锁存器、计数器、控制电路、驱动电路以及数码管动态扫描显示电路组成，电路框图，如图l所示。
 

　　时钟电路采用80 MHz有源晶振，它为系统提供时钟信号；锁存器1及锁存器2用于保存频率及占空比数据，为16位计数器提供预置值，锁存器位数为8位，设定的数据通过工控机输入，由于计数器位数为16位，故需分两次打人数据；计数器1及计数器2作为定时器，按锁存器1、2设定的值计时，两个计数器交替工作，即一个计数器工作而另一个计数器不工作。当工作的计数器到达计时时间后，向控制电路发出时间到信号。控制电路接收计数器发出的信号，停止计数器工作，并重新装载计时数据，同时启动另一个计数器工作，从而产生规定频率、占空比的脉冲信号，并输出两路脉冲信号，如图2所示。为了提高信号源带负载能力，输出使用了7417367驱动芯片增加驱动电流。

　　显示电路图，如图4所示，其中需要显示的数据代码通过工控机输入。缓冲器74LS244用做多路开关，当选通信号有效时，该路锁存数据有效，数码管显示相应的数据。
 

　　频率及占空比数据按如下方式计算：

　　设要输出的频率为f，占空比为D，则锁存器1、2要设定的值分别为
 

　　其中fOSC为系统时钟，C1、C2采用2进制补码。由式(1)，式(2)式可得到频率及占空比计算式
 

　　由上式可以看出信号源最高输出频率取决于系统时钟频率，最高频率为系统时钟频率的一半(C1、C2均为1)，要提高信号源输出频率必须提高系统时钟频率，既采用高频晶振或倍频电路。占空比取决于C1与C1+C2的比值，输出频率为最高频率时，占空比为50％；同样最小步进也取决于系统时钟频率，提高系统时钟频率，就可使步进缩小。

　　如果要信号源输出频率为500 kHz，占空比为0．5的脉冲波，则按式(1)、式(2)可以算出，C1=C2=HB0(16进制数)。将C1、C2通过工控机置入CPLD中。如果C1、C2为小数，则需取整，取整后需按式(3)、式(4)重新计算频率和占空比，算出的值为实际的频率与占空比。

　　2 硬件编程

　　开发软件采用Max PlusⅡ10．2，编程采用VHlDL硬件描述语言。

　　编程采用层次结构，整个程序采用顶层模块和底层模块。顶层模块，如图4所示。底层模块包括系统包含的各组件。
 

　　整个程序编写完成后进行编译、仿真，仿真结果，如图5所示。编译、仿真通过后都正确，即可通过JTAG接口将程序下载到目标板CPLD中，目标板即可使用。

　　3 系统控制软件

　　系统控制软件采用LabWindows／CVI编写，为了给锁存器置数，可采用如下程序实现：

 

　　4 技术指标

　　本脉冲信号源输出脉冲频率：20~700 kHz，占空比：1％～40％，时钟采用80 MHz有源晶振。在700 kHz时频率步进为6 kHz，20 kHz时频率步进为5 Hz。


　　由于采用了EPM7128SLC84—10作为脉冲信号源的核心。电路结构简单，频率、占空比可任意设置，准确度高。同时操作简单方便，功能更易扩展。