用CPLD實現基於PC104匯流排的429介面板

    PC104匯流排系統是一種新型的計算機測控平台，作為嵌入式PC的一種，在軟體與硬體上與標準的台式PC(PC/AT)體系結構完全兼容，它具有如下優點：體積小、十分緊湊，並採用模塊化結構，功耗低，匯流排易於擴充，緊固堆疊方式安裝，適合於製作高密度、小體積、攜帶型測試設備，因此在軍用航空設備上有著廣泛的應用，但也正是PC104板的這種小尺寸結構、板上可用空間少給設計帶來了一定的困難，所以本設計採用了複雜可編程器件CPLD，用CPLD完成了PC104匯流排與429匯流排通訊的主要電路，大大節省了硬體資源，本文著重介紹了CPLD部分的設計。

1 系統總體設計
    CPLD是一種複雜的用戶可編程邏輯器件，由於採用連續連接結構，易於預測延時，從而使電路模擬更加準確。再加上使用方便的開發工具，如MAX+PLUSII、Quartus等，使用CPLD器件可以極大地縮短產品開發周期，給設計修改帶來很大方便。本論文描述了利用開發工具MAX+PLUS II實現CPLD處理ARINC429數據通信。系統設計方案如圖1所示。
 
    ARINC429收發電路部分，由兩組3282和3l82晶元構成，其中每組晶元實現二路接收、一路發送，其中的控制信號均有CPLD編程產生：在CPLD部分，D[0...15]為16位雙向數據匯流排，實現AR1NC429收發電路與PC104匯流排介面之間的數據通信，IO16為16位晶元選擇信號；在PC104匯流排介面部分，XD[0...15]為16位雙向數據匯流排，XA[1...9]為地址匯流排，連接CPLD，進行選片操作，XIOR和XIOW 為IO讀寫信號，XAEN 是允許DMA控制地址匯流排、數據匯流排和讀寫命令線進行DMA傳輸以及對存儲器和I/O設備的讀寫。

2 系統硬體組成
    429的PC104匯流排介面板的硬體組成框圖如圖2所示，主要包括AR1NC429收發電路(HS3282和HS3l82晶元組)、CPLD、429板與PC 機的介面匯流排PC104匯流排、與外部的429介面IDC16插座、中斷控制開關等，其關係如圖2所示。
 
本介面板元器件布局如圖3所示。
 

3 CPLD內部功能及實現
3.1 開發流程描述
    本系統中的CPLD使用Altera公司的MAX7000S系列可編程邏輯器件中的EPM7128SQC100-6型號，從最初的電路設計思想到MAX+PLUSII的波形模擬，再到CPLD晶元編程結束要經過的一般開發流程如圖4所示。
 
3.2 CPLD中的模塊設計
    本設計中CPLD 的功能是實現ARINC429收發電路與介面板的介面匯流排PC104匯流排的數據通信。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的方法。
(1)產生AR1NC429控制器HS3282所需的TTCLK時鐘信號模塊
    TTCLK即發射器時鐘信號，本設計中該信號有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，然後由CPLD編程產生480KHZ和1MHZ兩種信號以備選擇。該模塊用圖形編輯的方式實現。要產生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分頻電路採用3個JK觸發器實現，8分頻電路採用74393實現，10分頻電路採用7490實現。
(2)產生複位信號/MR和控制發射器使能信號ENTX的信號ENT模塊
    /MR是對3282的主複位信號，/MR將直接送到HS3282，而ENT將送到另一模塊中，用於控制發射器使能信號ENTX的產生，ENTX=ENT*/TXR，其中TXR為發送緩衝區空標誌。該模塊也採用電路設計輸入方式。其電路主要由4個D型觸發器74LS74晶元來完成。輸入為匯流排驅動器的前4個輸出，即D0～D3，時鐘脈衝為產生HS3282讀寫信號模塊的一個輸出信號/WR3，輸出為兩個HS3282的複位信號/MR1和/MR2以及ENT1和ENT2。本模塊具體實現電路如圖5所示。
 
(3)產生片選信號/MCS的模塊
    本模塊產生的/MCS信號用於驅動雙向匯流排驅動器，進行數據傳輸，並用於選片對HS3282進行讀寫。此模塊用一片8位判決電路74LS688來實現其功能。其中P5-P1接一組基址選擇開關，Q5~Q1分別接PC104匯流排的地址匯流排的XA7、XA9、XA8、XA6和XA5，G接PC104匯流排的地址使能信號端XAEN。只有當XAEN輸入為低時，並且P5～Pl與Q5-Q1的對應端相等時，輸出為低，才有效。
(4)雙向匯流排驅動器模塊
    該模塊實現AR1NC429收發電路與介面板的介面匯流排PC104匯流排的16位數據傳輸。該模塊設計過程為，先用VHDL設計輸入方式設計兩個單向三態數據收發器，然後用電路設計輸入方式，將兩個單向數據收發器合成為一個雙向數據收發器。雙向匯流排驅動器模塊的功能表如表1所示。

雙向匯流排驅動器模塊產生其一個單向三態數據收發器(TRI_GATE1)的VHDL語言設計如下
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中送數據的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
b0<=一Z；b1<=-Z；b2<=-Z ；b3<='Z'；b<="ZZZZZZZZZZZZ"；
end if
end process；
end behav；
    產生另一個單向三態數據收發器(TRI_GATE)的VHDL語言與此類似，只是少了D0～D3的輸出部分。兩個單向三態數據收發器構成雙向匯流排驅動器的電路設計如圖6所示(D0_out～D3_out作為圖5中的D0-D3輸入)
 
(5)產生HS3282讀信號與寫信號和ENTX使能信號模塊
    本模塊要實現的功能是產生HS3282的讀寫信號和發送使能信號及一個送入PC104匯流排的輸入輸出16位晶元選擇信號/IO16。該模塊用VHDL語言輸入，其相應的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；--產生讀信號
ENTX1<=ENT1 and(not TXR1)；
ENTX2<=ENT2 and(not TXR2)；--產生髮送使能信號
end process；
end behav；
(6)中斷控制模塊
    本模塊用於實現中斷控制操作，有一個接收器滿便產生中斷，產生中斷時亦能判斷出中斷源。該模塊是用VHDL輸入方式產生的，其相應的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；
--用來判斷哪一個發送緩衝區空
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生中斷
end process；
end behav；
3.3 CPLD程序的下載
    各輸入模塊經過編譯處理，根據其相互關係連結，再通過功能模擬和時序模擬確認無誤后，對各輸入輸出埠進行管腳分配。當整個設計完成時，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晶元內部。這樣就可將CPLD構造成自己的專用晶元，由此便可以對設計的PC104板卡進行調試。調試過程中CPLD的設計部分還可根據需要進行修改，只是修改後要重新產生.pof文件，重新將文件載入到晶元中。

4 結束語
    針對PC104介面板的尺寸小的特點，本論文介紹了用CPLD實現基於PC104匯流排的429介面板，CPLD大大節省了硬體資源，同時也節省了板卡上的可利用空間，徹底解決了PC104 板卡的小尺寸給設計帶來的困難。且CPLD修改簡單，給調試工作帶來了方便。該板卡經過調試后實驗，可穩定工作。實驗結果表明：應用CPLD簡化了系統結構，縮短了設計周期，提高了系統的可靠性。