摘要： 提出了一種基于ISP技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的方法，給出了使用VHDL語言和原理圖完成數(shù)據(jù)采集模塊中地址發(fā)生器和比較電路的部分邏輯設(shè)計(jì)，只要將所設(shè)計(jì)的程序下載到可編程器件ispLSI2032中即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。同時(shí)，ispLSI2032器件的高密度和可編程性也提高了硬件電路的集成性、可靠性及保密性。

關(guān)鍵詞： ISP（在系統(tǒng)可編程）；VHDL；高速采集；ispLSI2032

隨著深亞微米及納米半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，可編程邏輯器件在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已十分廣泛。ＩＳＰ（在系統(tǒng)可編程）器件是先進(jìn)的可編程器件，

它的優(yōu)點(diǎn)是不需要編程器即可直接對(duì)安裝在用戶目標(biāo)板上的ＩＳＰ器件進(jìn)行編程，而且編程、調(diào)試都很方便。當(dāng)產(chǎn)品升級(jí)換代時(shí),只要通過軟件對(duì)ＩＳＰ器件重新編程即可,便可使其具有新的邏輯功能,而不需要增加硬件投入。

目前，ＩＳＰ芯片內(nèi)部資源越來越多，速度也越來越快，開發(fā)的軟件功能也更加完善。ＶＨＤＬ就是隨著ＰＬＤ發(fā)展起來的一種硬件描述語言，是一種應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)的高層次描述語言。本文將介紹一種在高速數(shù)據(jù)采集模塊中部分電路采用ＩＳＰ技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。

１　高速數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

高速數(shù)據(jù)采集模塊的系統(tǒng)框圖如圖１所示。圖中的ｉｓｐＬＳＩ２０３２是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心?它內(nèi)部包括了地址信號(hào)產(chǎn)生、鎖存、ＡＤＣ轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的比較、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫控制以及大部分控制邏輯?晶振電路產(chǎn)生的１２ＭＨｚ時(shí)鐘可直接在ｉｓ-ｐＬＳＩ２０３２內(nèi)部進(jìn)行２分頻以得到６ＭＨｚ的采樣時(shí)鐘。高速數(shù)據(jù)緩存部分由兩片ＳＲＡＭ構(gòu)成?該ＳＲＡＭ可提供自己的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。兩個(gè)端口可分別與ｉｓｐＬＳＩ２０３２和單片機(jī)的Ｐ０口連接。用ｉｓ-ｐＬＳＩ２０３２可遞增ＲＡＭ的地址?同時(shí)可提供寫入脈沖以將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入ＲＡＭ。當(dāng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)超出某一上下限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將地址數(shù)據(jù)寫入ｉｓ-ｐＬＳＩ２０３２內(nèi)部的鎖存器中?并在其后打開鎖存，同時(shí)將地址送到單片機(jī)的Ｐ０口，單片機(jī)由此地址讀出ＲＡＭ中相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，并通過ＲＳ２３２口傳送到ＰＣ機(jī)或其它外設(shè)。

圖２所示是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本硬件電路圖。圖中的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片選用的是美國ＭＡＸＩＭ公司的１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器ＭＡＸ１２０，它有全控制模式、獨(dú)立模式、慢存儲(chǔ)模式、ＲＯＭ模式和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式５種工作模式。在此電路中，ＭＡＸ１２０工作于連續(xù)轉(zhuǎn)換模式， 由于ＭＡＸ１２０芯片的ＭＯＤＥ＝ＤＧＮＤ，因此，它的ＩＮＴ／ＢＵＳＹ為ＢＵＳＹ輸出。單片機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，ＩＮＴ／ＢＵＳＹ變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)將ＩＮＴ０（Ｐ３．２）置低，以使計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)與ＭＡＸ１２０的ＩＮＴ／ＢＵＳＹ信號(hào)一致，也就是說，每轉(zhuǎn)換完一次，計(jì)數(shù)器就加以產(chǎn)生新的存儲(chǔ)器地址；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ＩＮＴ／ＢＵＳＹ轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑瑪?shù)據(jù)在引腳Ｄ０～Ｄ１１處有效，此時(shí)ＷＥ信號(hào)為低，存儲(chǔ)器寫端口打開，并將ＡＤＣ所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寫入與計(jì)數(shù)器所產(chǎn)生地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元。繼而ＩＮＴ／ＢＵＳＹ信號(hào)再次變低， ＭＡＸ１２０進(jìn)入下一次轉(zhuǎn)換。直到采集的數(shù)據(jù)超出某一上下限，ＡＤＣ模塊中的比較器產(chǎn)生一信號(hào)使單片機(jī)外部中斷，進(jìn)而轉(zhuǎn)入中斷數(shù)據(jù)處理。其后單片機(jī)將讀取存儲(chǔ)在鎖存器中的地址信號(hào)，并將其存儲(chǔ)；同時(shí)由此地址讀出存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的超出上下限的數(shù)據(jù)。單片機(jī)定時(shí)取數(shù)時(shí)，先將ＩＮＴ０（Ｐ３．２）置高，此時(shí)地址產(chǎn)生器的累加由單片機(jī)控制（通過Ｔ０口，即Ｐ３．４）。單片機(jī)控制計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)并產(chǎn)生地址數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的地址送到單片機(jī)Ｐ０口，并由此地址讀取存儲(chǔ)器中相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，最后通過ＲＳ２３２口傳送到ＰＣ或其它外設(shè)。

圖2

２　ｉｓｐＬＳＩ２０３２ 的結(jié)構(gòu)原理

２．１ ｉｓｐＬＳＩ２０３２的主要結(jié)構(gòu)

ｉｓｐＬＳＩ２０３２的結(jié)構(gòu)主要包括全局布線區(qū)、萬能邏輯模塊、輸出布線區(qū)、輸入總線和巨塊五個(gè)部分。其中全局布線區(qū)（Ｇｌｏｂａｌ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｏｏｌ）位于芯片中央,它將所有片內(nèi)邏輯聯(lián)系在一起,其輸入輸出之間的延遲是恒定和可預(yù)知的。ＧＲＰ在延時(shí)恒定并且可預(yù)知的前提下，提供了完善的片內(nèi)互連性能。這種獨(dú)特的互連性保證了芯片的高性能，從而可容易地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

萬能邏輯模塊是該器件的基本邏輯單元,它由邏輯陣列、乘積項(xiàng)共享陣列、輸出邏輯宏單元和控制邏輯組成。當(dāng)乘積項(xiàng)共享陣列將乘積項(xiàng)分配給或門后,可通過一個(gè)可編程的與／或／異或陣列輸出來控制該單元中的觸發(fā)器,從而使乘積項(xiàng)的共享更加靈活。每個(gè)輸出邏輯宏單元有專用的觸發(fā)器,每個(gè)觸發(fā)器與其它可組態(tài)電路的連接類似ＧＡＬ的ＯＬＭＣ,也可以被設(shè)置為組合輸出或寄存器輸出。片內(nèi)靈活的時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步加強(qiáng)ＧＬＢ的能力。每一個(gè)ＧＬＢ的時(shí)鐘信號(hào)既可選用全局同步時(shí)鐘，也可選用片內(nèi)生成的異步乘積項(xiàng)時(shí)鐘。

輸出布線區(qū)是介于ＧＬＢ和ＩＯＣ之間的可編程互連陣列,通過對(duì)該區(qū)的編程可以將任一個(gè)ＧＬＢ輸出靈活地送到Ｉ／Ｏ端口的某一個(gè)上，以便在不改變外部管腳排列的情況下，修改片內(nèi)邏輯電路的結(jié)構(gòu)。

輸入輸出單元（Ｉｎｐｕｔ Ｏｕｔｐｕｔ Ｃｅｌｌ）中的輸入、輸出或雙向信號(hào)與具體的Ｉ／Ｏ引腳相連接,可以構(gòu)成輸入、輸出、三態(tài)輸出的Ｉ／Ｏ口。

巨塊是ＧＬＢ及其對(duì)應(yīng)的ＯＲＰ、ＩＯＣ的總稱。Ｉｓ-ｐＬＳＩ２０３２中有兩個(gè)巨塊,通常分布在全局布線區(qū)的兩側(cè)。每個(gè)巨塊均包含ＧＬＢ、Ｉ／Ｏ口和專用輸入端,其中專用輸入端不經(jīng)鎖存器即可直接輸入。它們均可在軟件分配下供本巨塊內(nèi)的ＧＬＢ使用。

２．２ ｉｓｐＬＳＩ２０３２的工作過程

外部信號(hào)一般通過Ｉ／Ｏ單元引導(dǎo)全局布線區(qū)，全局布線區(qū)主要完成任意Ｉ／Ｏ端到任意ＧＬＢ的互連、任意ＧＬＢ間的互連以及各輸入Ｉ／Ｏ信號(hào)到輸出布線區(qū)的連接。器件的所有功能均可由一個(gè)ＧＬＢ或多個(gè)ＧＬＢ級(jí)聯(lián)完成。在設(shè)計(jì)中，筆者使用的是ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件，它包含有Ｌａｔｔｉｃｅ編譯器、頂層項(xiàng)目管理器、設(shè)計(jì)輸入編輯器等?同時(shí)還包括Ｌａｔｔｉｃｅ門級(jí)功能和實(shí)時(shí)仿真器，因而能夠?qū)υ韴D、ＶＨＤＬ或Ａｂｅｌ－ＨＤＬ語言進(jìn)行仿真?其設(shè)計(jì)流程如圖３所示。

３　ｉｓｐＬＳＩ２０３２在系統(tǒng)中的應(yīng)用

３．１ 硬件選擇

ｉｓｐＬＳＩ器件可分為５大系列，它們的密度、速度以及寄存器數(shù)目各不相同。而ｉｓｐＬＳＩ２０３２速度高達(dá)１５４ＭＨｚ，是同行業(yè)中速度最高的ＣＰＬＤ器件，通過其在系統(tǒng)可編程（ＩＳＰ）功能可在印刷電路板上對(duì)邏輯器件進(jìn)行編程或改寫。ｉｓｐＬＳＩ２０３２的內(nèi)部電路總體框圖如圖４所示。

其中ＬＯＧＩＣ９是地址發(fā)生電路的邏輯控制部分，ＣＯＵＮ１１是地址發(fā)生電路部分，ＧＬＦ２是地址鎖存部分。地址發(fā)生電路與地址鎖存電路是實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵部件，它可向存儲(chǔ)器ＳＲＡＭ６２６４提供寫入操作的順序地址和讀出操作的實(shí)時(shí)地址，同時(shí)可提供地址計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)和兩片數(shù)據(jù)鎖存器的方向控制信號(hào)。

３．１ 程序設(shè)計(jì)

在應(yīng)用ＩｓｐＬＳＩ２０３２進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用原理圖和ＶＨＤＬ混合輸入的方法。地址產(chǎn)生電路中ＣＯＵＮ１１可由兩個(gè)４位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。地址發(fā)生電路的邏輯控制部分ＬＯＧＩＣ９、地址鎖存部分的邏輯控制部分和地址鎖存部分ＧＬＦ２可由ＶＨＤＬ語言來進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面給出ＧＬＦ２的程序設(shè)計(jì)代碼：

ｌｉｂｒａｒｙ ｉｅｅｅ;

ｕｓｅ ｉｅｅｅ．ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_１１６４．ａｌｌ;

ｅｎｔｉｔｙ ｇｌｆ２ ｉｓ

ｐｏｒｔ(ａ０,ａ１,ａ２,ａ３,ａ４,ａ５,ａ６,ａ７: ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｂ０,ｂ１,ｂ２,ｂ３,ｂ４,ｂ５,ｂ６,ｂ７: ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｏｃ１,ｃ,ｏｃ２: ｉｎ ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ;

Ｑ０,Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３,Ｑ４,Ｑ５,Ｑ６,Ｑ７:ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ);

ｅｎｄ ｇｌｆ２；

ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｅｘａｍ ｏｆ ｇｌｆ２ ｉｓ

ｂｅｇｉｎ

ｐｒｏｃｅｓｓ（ｏｃ１，ｃ，ｏｃ２）

ｂｅｇｉｎ

ｉｆ（ｏｃ１＝‘０＇ ａｎｄ ｃ＝‘１＇ ａｎｄ ｏｃ２＝‘１＇） ｔｈｅｎ

Ｑ０＜＝ａ０；Ｑ１＜＝ａ１；Ｑ２＜＝ａ２；Ｑ３＜＝ａ３；Ｑ４＜＝ａ４；Ｑ５＜＝ａ５；Ｑ６＜＝ａ６；Ｑ７＜＝ａ７；

ｅｌｓｉｆ（ｏｃ１＝‘１＇ ａｎｄ ｃ＝‘１＇ ａｎｄ ｏｃ２＝‘０＇） ｔｈｅｎ

Ｑ０＜＝ｂ０；Ｑ１＜＝ｂ１；Ｑ２＜＝ｂ２；Ｑ３＜＝ｂ３；Ｑ４＜＝ｂ４；Ｑ５＜＝ｂ５；Ｑ６＜＝ｂ６；Ｑ７＜＝ｂ７；

ｅｎｄ ｉｆ；

ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ；

ｅｎｄ ｅｘａｍ；

圖4

４　編程設(shè)計(jì)

將設(shè)計(jì)階段生成的熔絲圖ＪＥＤＥＣ文件裝入到器件中去的過程稱為編程（也稱為下載、配置）。對(duì)在系統(tǒng)可編程邏輯器件，可使用ＩＳＰ菊花鏈下載編程軟件（ｉｓｐＶＭ）來進(jìn)行編程，筆者采用Ｌａｔｔｉｃｅ公司最新推出的一套ＥＤＡ軟件—ｉｓｐＬＥＶＥＲ，同時(shí)采用原理圖、硬件描述語言、混合輸入三種方式來對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)字電子系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真?然后通過計(jì)算機(jī)的并口和專用下載電纜直接對(duì)器件進(jìn)行編程，最后對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行檢查并最終通過。