如何用CPLD实现基于PC104总线的429接口板的设计？

　　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
　　
　　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
　　
　　
　　（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
　　
　　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。