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PC104總線系統(tǒng)是一種新型的計算機測控平臺，作為嵌入式PC的一種，在軟件與硬件上與標(biāo)準(zhǔn)的臺式PC（PC/AT）體系結(jié)構(gòu)完全兼容，它具有如下優(yōu)點：體積小、十分緊湊，并采用模塊化結(jié)構(gòu)，功耗低，總線易于擴充，緊固堆疊方式安裝，適合于制作高密度、小體積、便攜式測試設(shè)備，因此在軍用航空設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用，但也正是PC104板的這種小尺寸結(jié)構(gòu)、板上可用空間少給設(shè)計帶來了一定的困難，所以本設(shè)計采用了復(fù)雜可編程器件CPLD，用CPLD完成了PC104總線與429總線通訊的主要電路，大大節(jié)省了硬件資源，本文著重介紹了CPLD部分的設(shè)計。
1 、系統(tǒng)總體設(shè)計
CPLD是一種復(fù)雜的用戶可編程邏輯器件，由于采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測延時，從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。再加上使用方便的開發(fā)工具，如MAX+PLUSII、Quartus等，使用CPLD器件可以極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，給設(shè)計修改帶來很大方便。本論文描述了利用開發(fā)工具MAX+PLUS II實現(xiàn)CPLD處理ARINC429數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。
ARINC429收發(fā)電路部分，由兩組3282和3l82芯片構(gòu)成，其中每組芯片實現(xiàn)二路接收、一路發(fā)送，其中的控制信號均有CPLD編程產(chǎn)生：在CPLD部分，D［0.。.15］為16位雙向數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)AR1NC429收發(fā)電路與PC104總線接口之間的數(shù)據(jù)通信，IO16為16位芯片選擇信號；在PC104總線接口部分，XD［0.。.15］為16位雙向數(shù)據(jù)總線，XA［1.。.9］為地址總線，連接CPLD，進行選片操作，XIOR和XIOW 為IO讀寫信號，XAEN 是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和讀寫命令線進行DMA傳輸以及對存儲器和I/O設(shè)備的讀寫。
2、 系統(tǒng)硬件組成
429的PC104總線接口板的硬件組成框圖如圖2所示，主要包括AR1NC429收發(fā)電路（HS3282和HS3l82芯片組）、CPLD、429板與PC 機的接口總線PC104總線、與外部的429接口IDC16插座、中斷控制開關(guān)等，其關(guān)系如圖2所示。
本接口板元器件布局如圖3所示。
3、 CPLD內(nèi)部功能及實現(xiàn)
3.1 開發(fā)流程描述
本系統(tǒng)中的CPLD使用Altera公司的MAX7000S系列可編程邏輯器件中的EPM7128SQC100-6型號，從最初的電路設(shè)計思想到MAX+PLUSII的波形仿真，再到CPLD芯片編程結(jié)束要經(jīng)過的一般開發(fā)流程如圖4所示。
3.2 CPLD中的模塊設(shè)計
本設(shè)計中CPLD 的功能是實現(xiàn)ARINC429收發(fā)電路與接口板的接口總線PC104總線的數(shù)據(jù)通信。其功能模塊可以分為6部分，以下逐一介紹各模塊的功能及其實現(xiàn)的方法。
（1）產(chǎn)生AR1NC429控制器HS3282所需的TTCLK時鐘信號模塊
TTCLK即發(fā)射器時鐘信號，本設(shè)計中該信號有480 KHZ和1 MHZ兩種可選頻率，是由一個48 MHZ的晶振提供信號給CPLD，然后由CPLD編程產(chǎn)生480KHZ和1MHZ兩種信號以備選擇。該模塊用圖形編輯的方式實現(xiàn)。要產(chǎn)生3282所需要的480KHZ信號需要對輸入48MHZ信號進行兩次10分頻，要產(chǎn)生1 MHZ信號需要對輸入信號進行6分頻再8分頻。6分頻電路采用3個JK觸發(fā)器實現(xiàn)，8分頻電路采用74393實現(xiàn)，10分頻電路采用7490實現(xiàn)。
（2）產(chǎn)生復(fù)位信號/MR和控制發(fā)射器使能信號ENTX的信號ENT模塊/MR是對3282的主復(fù)位信號，/MR將直接送到HS3282，而ENT將送到另一模塊中，用于控制發(fā)射器使能信號ENTX的產(chǎn)生，ENTX=ENT*/TXR，其中TXR為發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志。該模塊也采用電路設(shè)計輸入方式。其電路主要由4個D型觸發(fā)器74LS74芯片來完成。輸入為總線驅(qū)動器的前4個輸出，即D0～D3，時鐘脈沖為產(chǎn)生HS3282讀寫信號模塊的一個輸出信號/WR3，輸出為兩個HS3282的復(fù)位信號/MR1和/MR2以及ENT1和ENT2。本模塊具體實現(xiàn)電路如圖5所示。
（3）產(chǎn)生片選信號/MCS的模塊
本模塊產(chǎn)生的/MCS信號用于驅(qū)動雙向總線驅(qū)動器，進行數(shù)據(jù)傳輸，并用于選片對HS3282進行讀寫。此模塊用一片8位判決電路74LS688來實現(xiàn)其功能。其中P5-P1接一組基址選擇開關(guān)，Q5~Q1分別接PC104總線的地址總線的XA7、XA9、XA8、XA6和XA5，G接PC104總線的地址使能信號端XAEN。只有當(dāng)XAEN輸入為低時，并且P5～Pl與Q5-Q1的對應(yīng)端相等時，輸出為低，才有效。
（4）雙向總線驅(qū)動器模塊
該模塊實現(xiàn)AR1NC429收發(fā)電路與接口板的接口總線PC104總線的16位數(shù)據(jù)傳輸。該模塊設(shè)計過程為，先用VHDL設(shè)計輸入方式設(shè)計兩個單向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器，然后用電路設(shè)計輸入方式，將兩個單向數(shù)據(jù)收發(fā)器合成為一個雙向數(shù)據(jù)收發(fā)器。
雙向總線驅(qū)動器模塊產(chǎn)生其一個單向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器（TRI_GATE1）的VHDL語言設(shè)計如下
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）；
--向模塊2中送數(shù)據(jù)的4個輸出端
end tri_gatel；
architecture behav of tri_gate1 is
begin
process
begin
if en=‘1’ then --EN為高電平時收發(fā)器有效
b0《=a0；b1《=a1；b2《=a2；b3《=a3；b《=a；
D0《=a0；D1《=a1；D2《=a2；D3《=a3；
else --EN為低時高阻狀態(tài)
b0《=一Z；b1《=-Z；b2《=-Z ；b3《=‘Z’；b《=“ZZZZZZZZZZZZ”；
end if
end process；
end behav；
產(chǎn)生另一個單向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器（TRI_GATE）的VHDL語言與此類似，只是少了D0～D3的輸出部分。兩個單向三態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)器構(gòu)成雙向總線驅(qū)動器的電路設(shè)計如圖6所示（D0_out～D3_out作為圖5中的D0-D3輸入）
（5）產(chǎn)生HS3282讀信號與寫信號和ENTX使能信號模塊
本模塊要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生HS3282的讀寫信號和發(fā)送使能信號及一個送入PC104總線的輸入輸出16位芯片選擇信號/IO16。該模塊用VHDL語言輸入，其相應(yīng)的VHDL語言如下
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； --產(chǎn)生寫信號
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；--產(chǎn)生讀信號
ENTX1《=ENT1 and（not TXR1）；
ENTX2《=ENT2 and（not TXR2）；--產(chǎn)生發(fā)送使能信號
end process；
end behav；
（6）中斷控制模塊
本模塊用于實現(xiàn)中斷控制操作，有一個接收器滿便產(chǎn)生中斷，產(chǎn)生中斷時亦能判斷出中斷源。該模塊是用VHDL輸入方式產(chǎn)生的，其相應(yīng)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；
--產(chǎn)生中斷時用來判斷哪個接收器滿
D4《=TXR1；
D5《=TXR2；
--用來判斷哪一個發(fā)送緩沖區(qū)空
else
D0《=‘Z’；D1《‘Z’；D2《=‘Z’；D3《=‘Z’；D4《=‘Z’；D5《=‘Z’；
endif；
INT《=not（DR11 and DR12 and DR21 and DR22）； --有一個接收器滿便產(chǎn)生中斷
end process；
end behav；
3.3 CPLD程序的下載
各輸入模塊經(jīng)過編譯處理，根據(jù)其相互關(guān)系連結(jié)，再通過功能仿真和時序仿真確認(rèn)無誤后，對各輸入輸出端口進行管腳分配。當(dāng)整個設(shè)計完成時，MAX+PLUSII將生成一個文件（.pof），該文件通過下載電纜從JTAG口傳送到PC104板上的CPLD芯片內(nèi)部。這樣就可將CPLD構(gòu)造成自己的專用芯片，由此便可以對設(shè)計的PC104板卡進行調(diào)試。調(diào)試過程中CPLD的設(shè)計部分還可根據(jù)需要進行修改，只是修改后要重新產(chǎn)生.pof文件，重新將文件加載到芯片中。
4、 結(jié)束語
針對PC104接口板的尺寸小的特點，本論文介紹了用CPLD實現(xiàn)基于PC104總線的429接口板，CPLD大大節(jié)省了硬件資源，同時也節(jié)省了板卡上的可利用空間，徹底解決了PC104 板卡的小尺寸給設(shè)計帶來的困難。且CPLD修改簡單，給調(diào)試工作帶來了方便。該板卡經(jīng)過調(diào)試后實驗，可穩(wěn)定工作。實驗結(jié)果表明：應(yīng)用CPLD簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。
責(zé)任編輯：gt
工商網(wǎng)監(jiān)
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