基于PLD和串行總線擴展系統(tǒng)控制功能

　　圖3 將PLD用作一個串行IO擴展器

　　接下來就需要一個協(xié)議，定義從微控制器到外部PLD的數(shù)據(jù)流的指令和尋址機制。對于基于SPI的實現(xiàn)，無需太多擔(dān)心。SPI不需要數(shù)據(jù)流中的任何信息進行尋址，因為SS和SCLK信號已經(jīng)根據(jù)協(xié)議提供了控制尋址。因此，用戶只需控制整個數(shù)據(jù)有效載荷的傳輸。

　　外部PLD的I2C實現(xiàn)稍微復(fù)雜一些。首先，在將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上之前，要對器件尋址，必須識別出這個PLD。這種差異正是選擇這兩種串行總線架構(gòu)時需要考慮權(quán)衡的地方：SPI架構(gòu)不需要一個指令翻譯器來尋找到特定的從器件，但比I2C結(jié)構(gòu)需要更多引腳。

　　遠程故障記錄

　　考慮到外部的非易失性存儲器成本低，以及便于通過串行總線如I2C或SPI接口進行連接，將外部非易失性存儲器與PLD結(jié)合使用，可以為用戶提供極具成本效益的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)中的遠程故障記錄管理。圖4顯示了一個典型的系統(tǒng)應(yīng)用，不僅使用了之前重點介紹的IO擴展功能，也說明了怎樣將外部存儲器納入系統(tǒng)架構(gòu)中使用。

　　圖4 遠程故障記錄

　　在這個架構(gòu)中，PLD主要負責(zé)監(jiān)測、控制和與微控制器通信。然而，它也負責(zé)執(zhí)行線路上額外的監(jiān)測/控制分析和故障信息記錄，通過串行總線寫入非易失性存儲器。電壓監(jiān)控、看門狗定時器和PCB上的其他故障條件可以通過PLD寫入非易失性存儲器。通常情況下，檢測到故障后，系統(tǒng)中其他監(jiān)控器的狀態(tài)，如溫度和電壓以及時間信息將被保存。

　　應(yīng)當(dāng)注意的是，這樣一個系統(tǒng)在實現(xiàn)時有一個重要的考慮。如果PLD是外部非易失性存儲器的主器件，那么它還需要決定串行總線的控制和尋址。這個決定對于使用SPI總線而言很容易;設(shè)計師必須實現(xiàn)一個從SPI器件，與微控制器進行通信，以及一個獨立的主SPI器件，可以訪問外部存儲器。

　　對于I2C總線，設(shè)計師有幾個選擇。第一種選擇是設(shè)計類似SPI那樣的設(shè)計，使用一個從器件與微控制器通信，以及一個主器件訪問外部存儲器。第二種選擇是使用PLD，同時作為主器件和從器件。這種方法的好處是，系統(tǒng)中只有一條串行總線，因此微控制器可以直接訪問非易失性存儲器，而無需PLD翻譯指令然后從存儲器中讀取信息。然而，由于不是在PLD中簡單地使用一個從器件，現(xiàn)在設(shè)計必須處理尋址和總線控制。

　　傳感器和外設(shè)匯聚

　　基于串行接口的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的數(shù)量日益增長。你可以在溫度傳感器、壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字電位器、實時時鐘和LCD控制器等等應(yīng)用中找到串行接口，這里僅列舉了幾個來說明。要了解如何將這些集成到設(shè)計中的關(guān)鍵是要知道哪些外設(shè)需要“實時”使用以及“實時”意味著什么。舉例來說，在系統(tǒng)中溫度是一個相對緩慢變化的對象，并可以很容易地通過串行總線監(jiān)控。用于電流或電壓檢測的A/D轉(zhuǎn)換器可能是也可能不是一個“實時”需求，這要根據(jù)正在測量的內(nèi)容，以及需要多快的檢測速度而定。

　　一旦你已經(jīng)確定了外設(shè)的優(yōu)先級，然后你可以將較低優(yōu)先級的外設(shè)讓PLD處理，減輕處理器的負擔(dān)，如圖5所示。

　　圖5 傳感器匯聚示例

　　在上面的例子中，微控制器只需與2個而非4個外設(shè)進行通信。

　　這種安排還有另外一個好處。你可以使用一個功能強大的PLD來預(yù)處理數(shù)據(jù)，然后由微控制器讀取。例如，請考慮一個應(yīng)用，使用A/D采樣測量一個三相電力系統(tǒng)的電壓和電流，并進行故障檢查。一個擁有強大DSP功能的PLD可以代替DSP或微控制器執(zhí)行RMS計算、峰值電流分析、相位計算和FFT。現(xiàn)在采樣速率受到PLD收集樣本和處理數(shù)據(jù)所需時間的限制。然后，微控制器可以讀取編譯的數(shù)據(jù)，將更多的時間用于處理控制和報告工作。設(shè)計師們應(yīng)該好好考慮微控制器處理能力、PLD處理能力、成本和空間之間的權(quán)衡。

　　下一步：集成

　　鑒于這些串行總線與小型可編程邏輯器件相結(jié)合使用的實用性，下一步將是將至少一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)（如果不能兼顧）集成到PLD中。這種集成降低了PLD解決方案的成本和功耗。此外，串行總線接口的編碼不再是設(shè)計師需要解決的問題。設(shè)計師只需要處理他們的應(yīng)用和邏輯要求，而不是集成一個開放的核。

　　萊迪思半導(dǎo)體公司提供的最新的CPLD就可以為設(shè)計師帶來這些優(yōu)點。MachXO2?系列中的嵌入式功能塊（EFB），包含預(yù)先設(shè)計的解決方案，可以用來實現(xiàn)上面所述的任意系統(tǒng)控制功能。MachXO2器件包含一個SPI控制器以及2個I2C控制器。所有串行總線控制器都可以配置為主或從器件。此外，MachXO2還為設(shè)計師們提供了一個定時器/計數(shù)器塊以及少量的用戶可訪問的閃存（UFM）。

　　除了上面提到的解決方案，串行總線與PLD相結(jié)合可以為系統(tǒng)提供其他的好處，即使有時它們在架構(gòu)設(shè)計過程后才顯現(xiàn)出來。它們并不是所有弊病的靈丹妙藥，但它們在設(shè)計中的實用性是有據(jù)可查的，有無數(shù)的開源核和設(shè)計方案可以給予不同的架構(gòu)設(shè)計師們指引，實現(xiàn)最佳的解決方案。