利用CPLD來替代微控制器的6種方法

　　如果告訴便攜式電子設計人員有一種低功耗數(shù)字器件能使他們利用軟件程序來重新配置硬件工作，他們中的十個會有九個認為這是某種微控制器。這是可以理解的。豐富的特性和封裝、大量的軟件開發(fā)工具，以及龐大的應用代碼庫，無處不在的微控制器幾乎能夠用在所有便攜式應用中。然而，隨著低功耗CPLD的出現(xiàn)，設計人員有了新的選擇來實現(xiàn)以前由微控制器完成的功能。

　　本白皮書討論什么時候適合采用CPLD來替代微控制器，什么時候可以采用CPLD作為微控制器的輔助器件。根據(jù)其功能和復雜程度，本白皮書中的例子可以分成三類。第一類是I/O管理，主要針對引腳級應用。第二類是端口管理，重點是器件之間的各種接口。第三類是系統(tǒng)管理，面向使用引腳或者端口來控制系統(tǒng)級功能的應用。

　　第一次接觸可編程邏輯的設計人員會發(fā)現(xiàn)CPLD設計在很多方面和傳統(tǒng)的微控制器設計類似。下面簡單說明CPLD設計流程：

　　1、利用軟件開發(fā)工具，采用Verilog或者VHDL等高級語言編寫設計

　　2、對設計進行仿真，以驗證功能是否正確

　　3、驗證是否滿足資源占用和時序通路等物理要求，將設計“適配”到CPLD中

　　4、對設計進行仿真，以驗證時序是否正確

　　5、設計被編程至物理器件中

　　一個主要不同是復雜的在電路仿真器功能，以驗證微控制器。然而，一旦理解了可編程技術的細微差別后，微控制器設計人員便能夠很好地進行CPLD設計

　　CPLD替代微控制器的實例

　　以下部分介紹了CPLD能夠有效替代微控制器的某些應用

　　I/O管理

　　當考慮是使用CPLD還是微控制器來進行I/O管理時，所需要的I/O數(shù)量和類型是兩個關鍵因素。微控制器的好處是體積小而且價格低，當然還有大量的小型低成本微控制器供設計人員選擇。然而，如果某一應用需要大量的通用I/O，那么CPLD在成本上通�？梢院臀⒖刂破飨喔偁�。小型低成本微控制器一般受限于串口，它最多有幾個通用I/O引腳。

　　設計人員發(fā)現(xiàn)，I/O數(shù)量較多的微控制器體積也不小，而且價格也昂貴。而另一方面，CPLD趨于有較多的I/O；小外形封裝CPLD有50多個I/O是比較常見的。例如，5mm x 5mm封裝的Altera® MAX® IIZ EPM240Z CPLD有80個I/O。除了I/O數(shù)量優(yōu)勢以外，一般情況下，CPLD要比微控制器更加靈活。除了某些例外，大部分CPLD I/O都能夠用于任意目的。

　　可編程電平轉換

　　很多產(chǎn)品都需要使用電壓不同的各種邏輯器件。為支持多電壓應用，設計人員要經(jīng)常連接不同電平的器件。而采用微控制器幾乎不可能實現(xiàn)這一切，因為微控制器的I/O資源數(shù)量有限，一般采用一個電壓源工作。而CPLD有大量的I/O，并分成多個塊。相應的為每個I/O塊分配一個電壓源。因此，開發(fā)電平轉換器只需要將一個塊中一種電壓的所有I/O分在一起，將相關的電壓參考連接到這些I/O所需的電源上(圖1)。使用CPLD不但能夠很好地完成電平轉換，它更大的優(yōu)勢在于和電平轉換相結合的可編程功能。例如，如果某一應用需要LCD顯示器，但主處理器并不支持這種顯示器，而且電平不同，那么可以采用CPLD來實現(xiàn)主處理器和LCD顯示器之間的電平轉換時序控制功能。

　　脈沖寬度調(diào)制

　　一般而言，設計人員針對某一功能選擇一款微控制器，例如脈沖寬度調(diào)制(PWM)，這些功能也可以采用CPLD來實現(xiàn)。在PWM中，方波的時間周期不變，而信號保持高電平的時間在變化或者受到調(diào)制。這樣，信號的占空比(tON)是變化的。PWM為數(shù)字系統(tǒng)中的模擬電路控制提供了有效的方法。便攜式應用中常用的一種方法是利用PWM來調(diào)節(jié)LED的亮度。

[$page]　　CPLD并沒有專用PWM電路，但是實現(xiàn)PWM輸出并不難。例如，MAX IIZ CPLD的內(nèi)部振蕩器可以用作頻率源，計數(shù)器可以用于調(diào)制所產(chǎn)生的頻率。

　　模數(shù)轉換器

　　設計人員經(jīng)常選擇微控制器來實現(xiàn)模數(shù)轉換器(ADC)。然而，在某些情況下，例如鍵盤解碼，可能不需要ADC。
然而，CPLD也是一種選擇。加入一個簡單的低成本外部電容后，MAX IIZ CPLD可以利用其內(nèi)部振蕩器、施密特觸發(fā)器I/O以及高密度算法可編程邏輯架構來完成模數(shù)轉換(1)。

　　上電排序

　　MAX IIZ器件針對大量的系統(tǒng)管理功能進行了優(yōu)化，例如多電壓系統(tǒng)上電和系統(tǒng)復位上電排序功能，以及片選信號生成等。這兩類應用一般集成在一個非易失、瞬時接通器件中。多電壓系統(tǒng)上電排序功能需要采用瞬時接通器件，該器件能馬上管理PCB上其他器件的上電順序。因此，相對于在毫秒量級上電的微控制器，