1引言

SoC（System on Chip）是將來電路設計的一個趨勢，由于CPLD（Complex Programmable Logic Device）芯片密度不斷增加和新一代EDA（Electronic Design Automatic）開發(fā)工具的使用，利用CPLD器件實現(xiàn)SoC已成為可能，而單片機與CPLD之間的通信和合作方法亦成為目前單片機應用的一個熱門方向。

通過水流、氣流的噴射和循環(huán)以達到按摩功效并具備一些輔助功能的按摩浴缸已經(jīng)成為時尚產(chǎn)品，而目前市場上的一般產(chǎn)品往往采用在浴缸中安裝機械式閥門，并在浴缸表面配以手動的開關、旋鈕來實現(xiàn)諸如背部、腳部及其他部位的出水按摩效果，這樣的方式一來用戶使用不方便，二來安裝難度增加，三者維護成本高。

在新型的按摩浴缸產(chǎn)品中，為了滿足高端用戶的需求，往往綜合了水泵、氣泵、加熱器、電控閥門、燈光、收音機、消毒、電話等設備的控制，而控制部分通常會選用價格低廉、功能強大的各種8位單片機產(chǎn)品。由于單片機I/O端口的數(shù)量限制，在輸入輸出的數(shù)量較多的情況下，如果直接使用單片機的I/O端口會造成單片機數(shù)量的增加以及系統(tǒng)設計的難度增加，同時還會造成系統(tǒng)的成本增加。

按照新型按摩浴缸的模型設計，需控制的輸出包括水泵1路、氣泵1路、加熱器1路、電控閥門12路、燈光6路、消毒泵1路，共22路輸出，另外還包括了故障檢測（19路）及液位檢測（2路）共21路輸入。在單片機尚要兼顧鍵盤、LCD顯示及遙控器的情況下，直接使用其I/O端口顯然是不現(xiàn)實的。通過引入CPLD的設計可以解決上述多輸入輸出的控制問題。

2 CPLD介紹

ATF1508AS是ATMEL公司生產(chǎn)的電可擦寫、可在線編程的邏輯電路器件，它內(nèi)含128個邏輯宏單元，可以通過LogicDoubling技術進行邏輯功能設計的擴展，可以靈活地實現(xiàn)用戶設計的要求。

ATF1508AS共有84個管腳，其中61個管腳可作為I/O使用，完全可以滿足上述新型浴缸的控制要求。圖1是ATF1508AS的組成示意圖。

圖1 ATF1508AS的組成示意圖

3 CPLD應用開發(fā)

CPLD的設計方法包括電路原理圖法、Verilog編程、VHDL編程等，本設計中采用電路原理圖的設計方法，下面說明相關設計過程。

顯然CPLD是處于單片機與驅動控制電路之間的接口部分，單獨將它抽象出來，則其輸入輸出框圖如圖2所示：

圖2 CPLD輸入輸出框圖

3.1 輸出部分設計

由于前述新型浴缸模型中有22路輸出，所以輸入信號應設計五位地址輸入線（25＝32》22）以滿足輸出數(shù)量的要求，另外相應的控制信號線還包括復位、時鐘及輸出開關控制信號共三個。顯然，對輸出部分來說，CPLD的功能類似于5線－22線的譯碼器，但由于輸出信號之間要求相互不能影響，所以在譯碼器的基礎上需增加觸發(fā)器以實現(xiàn)上述要求，同時還需加入相應輸出設備的開關控制信號。

5線－22線譯碼器是用兩片4線－16線譯碼器74154擴展而成的（多余的輸出不用）， 對于4線－16線譯碼器74154來說，它有兩個片選信號控制端G1N和G2N，只有當G1N和G2N都為邏輯“0”時，74154芯片才能正常譯碼。利用G1N進行兩片74154的擴展，再利用G2N作為輸出設備的開關控制信號剛好可以滿足設計需求。擴展后的譯碼器電路能實現(xiàn)5線－32線的譯碼，可以滿足22路輸出的要求，因為輸出設備存在多路共同輸出的組合，通過在譯碼器的輸出端添加多個雙二輸入JK觸發(fā)器7474可以實現(xiàn)這一功能。分析JK觸發(fā)器的特性方程：Qn＋1＝J ＋ Qn可知，當

（1） J＝1，K＝0時Qn＋1＝1；對應于相應設備關閉；

（2） J＝0，K＝1時Qn＋1＝0；對應于相應設備開啟；

（3） J＝K＝0時Qn＋1＝Qn；對應于相應設備保持原開關狀態(tài)；

（4） J＝K＝1時Qn＋1＝ 。（實際上該種組合因電路設計的原因不存在）

針對圖3所示的電路，經(jīng)分析可知，左半部分的電路用于控制輸出設備的開啟，而右半部分的電路控制輸出設備的關閉，且由于各個輸出設備的控制碼不同，所以不存在沖突的問題。輸出部分的設計占用了CPLD的30個I/O端子，其中8個I/O端子用于與單片機的連接，另外22個I/O端子通過驅動控制電路與相應設備連接。

對于設計完成的輸出控制部分來說，其與單片機連接的8位數(shù)據(jù)格式及相應定義如下：

CLRN CLK G2N G1N A B C D

CLRN：復位信號（低電平有效）

CLK：時鐘信號（上升沿有效）

G2N：輸出控制信號（“0”：開，“1”：關）

G1N、A、B、C、D：地址碼輸入

3.2輸入部分設計

3.2.1 故障檢測部分設計

該部分是針對浴缸控制器中關于故障檢測的功能進行設計的，它的信號來自各相應設備的故障檢測電路，并規(guī)定“1”表示設備發(fā)生故障，“0”表示設備正常。對故障檢測的輸入部分來說，CPLD相當于一個多路數(shù)據(jù)選擇器。利用兩片16選1數(shù)據(jù)選擇器74150可以擴展成32選1數(shù)據(jù)選擇器，從而滿足19路故障檢測信號輸入的要求。具體的實現(xiàn)方法是利用74150的片選端EN作為擴展端，對于74150來說，只有當EN為邏輯“0”時，數(shù)據(jù)選擇器才能正常工作，設計電路如圖3所示。故障檢測輸入部分的設計占用了CPLD的27個I/O端子，其中6個I/O端子（5個地址碼端子，1個選擇輸出端子）與單片機連接，其他21個I/O端子通過接口電路與故障檢測電路連接。

3.2.2 液位檢測部分設計

液位檢測是新型浴缸系統(tǒng)正常工作的一個重要組成部分。液位檢測包括浴缸液位檢測和消毒液液位檢測兩個部分，其中浴缸液位是否達到預定水位是系統(tǒng)中水泵、氣泵等設備開啟的必要條件，而消毒液液位是否高于正常位置也是系統(tǒng)能否正常消毒的充分條件。

實際設計中通過兩個非接觸式液位開關檢測相關液位，液位開關的輸出為標準的TTL電平信號，并規(guī)定“1”表示液位達到設定值，“0”表示液位未達到設定值。如果浴缸液位未達到設定值，則系統(tǒng)會提示加水信息，如果消毒液液位低于設定值，則系統(tǒng)會提示添加消毒液。

對于設計完成的輸入控制部分來說，其與單片機連接的6位數(shù)據(jù)格式及相應定義如下：

Yselect：數(shù)據(jù)選擇輸出

A0、A1、A2、A3、A4：地址碼輸入

3.3 CPLD的燒錄

上述關于CPLD輸入輸出功能的設計是使用MaxplusII工具進行的，設計完成后得到的結果是*.pof文件，使用Pof2Jed工具將*.pof 轉換為 *.jed 文件， 然后利用 AtmIsp 工具將相應的*.jed燒錄到CPLD中，就完成了整個CPLD芯片的設計、實現(xiàn)過程。

圖3 CPLD 設計示意圖

4 CPLD的應用效果［1］［2］

4.1 輸出設備控制

在所有的控制設備中，除了氣泵、多路水閥及燈光以外，其他均是簡單的開關控制?，F(xiàn)在以氣泵及燈光的控制說明CPLD的應用效果。

4.1.1氣泵控制

根據(jù)氣泵電機的組成原理，經(jīng)過實際測試，可以通過PWM調節(jié)實現(xiàn)氣泵的調速，而用單片機實現(xiàn)不同的脈沖輸出或PWM波形是非常簡單的功能，具體的電路連接示意圖如下圖所示。

通過實驗，我們實現(xiàn)了氣泵的無極調速。下面是典型的脈沖波形輸出示意圖。

4.1.2燈光控制

一般情況下，浴缸中安裝三個彩燈及三個白燈，均是由高亮度發(fā)光二極管構成，彩燈按照紅、籃、綠三色由2個、3個、2個共7個發(fā)光二極管組成，白燈由7個白色發(fā)光二極管組成，要求白燈能夠實現(xiàn)亮度的控制，彩燈能夠實現(xiàn)幾種不同周期循環(huán)狀態(tài)的控制。

白燈亮度的控制采用控制不同發(fā)光二極管組合的方式實現(xiàn)，亮度共分7級，分別對應相應數(shù)量的白燈點亮，具體實現(xiàn)時，將白燈分成三組：第一組1個白色發(fā)光二極管，第二組2個白色發(fā)光二極管，第三組4個白色發(fā)光二極管，通過這三組白色發(fā)光二極管的組合就可以實現(xiàn)7級亮度的調節(jié)。

彩燈循環(huán)狀態(tài)的控制采用脈沖式輸出的方式實現(xiàn)，配合定時器及外圍添加邏輯或門的方式可以具體實現(xiàn)彩燈循環(huán)的控制。

4.2 輸入設備控制

4.2.1 故障檢測控制

故障檢測是本文作者針對新型多功能浴缸提出的一種全新功能，它一方面可以提醒用戶關于系統(tǒng)故障的信息，另一方面，也為浴缸生產(chǎn)廠家的維護人員提供了全面的檢測、維修信息。

如前所述，故障檢測的信號來自各相應設備的故障檢測電路，并規(guī)定“1”表示設備發(fā)生故障，“0”表示設備正常。在軟件實現(xiàn)的過程中，首先要建立一個設備與地址A4－A0的對應表，然后定時輪詢CPLD的相應端子，采集故障檢測信息，并根據(jù)相應的信息進行顯示及驅動蜂鳴器報警。同時軟件系統(tǒng)還會存儲累積的設備故障次數(shù)，以方便廠家分析故障原因。

4.2.2 液位檢測控制

系統(tǒng)響應按鍵操作需進行關于水泵、氣泵、加熱器、閥門的啟動時，均會先行采集液位開關的輸入狀態(tài)，并根據(jù)采集的信息判斷是進行設備開啟操作，還是顯示錯誤提示。

5 結束語

本文作者的創(chuàng)新點在于將單片機控制與CPLD的應用綜合在新型浴缸的設計和生產(chǎn)過程中。從以上CPLD的實際應用效果可以總結出，使用CPLD不但可以簡化控制電路的設計，而且可以獲得穩(wěn)定、可靠的控制效果，同時還降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本，完全達到了設計要求?？梢灶A見的是，隨著CPLD芯片密度的進一步提高，必然會將單片機及CPLD的設計加入SoC，以形成更加專用的SoC系統(tǒng)，進一步降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，并提高系統(tǒng)的保密性。

責任編輯：gt