采用可编程逻辑器件器件设计可变格式和可变速率的通信数字信号源

 摘要：采用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的在系统可编程器件ｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ１０１６，设计出一个具有可变格式、可变长度和可变速率的通信数字信号源，从而可以产生出符合设计者要求的数字码流。

 可编程逻辑器件（ＰＬＤ）在工业、自动控制、信号处理和日常生活等方面都发挥着愈来愈大的作用。ｉｓｐ（在系统可编程）器件就是ＰＬＤ中的一朵奇葩，它以其良好的系统性能、较强的设计灵活性、较高的逻辑利用率和优越的Ｅ２ＣＭＯＳ工艺而得到了电路设计者们的青睐。本设计就是采用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的高密度在系统可编程芯片ｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ１０１６设计的一个通信数字信号源。设计中采用两套地址总线（微机总线与ｉｓｐ总线）分时对两片ＲＡＭ进行读写操作，并采用不断查询端口的方式进行协调控制，从而产生出满足设计要求的数字码流。

1 ｉｓｐ系统介绍

1.1 概述

    在系统可编程器件是近几年来兴起的一种ＰＬＤ器件。所谓在系统可编程，是指在用户自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑器件进行编程或反复编程的能力。常规ＰＬＤ通常是先编程后装配，而采用ｉｓｐ技术的ＰＬＤ则是先装配后编程，成为产品之后还可反复编程。在系统可编程器件的出现使得当今数字电子系统设计的面貌焕然一新。采用ｉｓｐ技术之后硬件设计可以变得象软件那样灵活而易于修改，硬件的功能可以实时地加以修改或按预定程序改变组态，这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统调试周期，而且还省却了对器件单独编程的环节和器件编程设备，简化了目标设备的现场升级和维护工作。ｉｓｐ是美国Ｌａｔｔｉｃｅ半导体公司生产的可编程逻辑器件的专用商标，该公司生产的ＰＬＤ在工艺上吸收了Ｅ２ＰＲＯＭ的浮栅技术，并与ＣＭＯＳ静态ＲＡＭ相结合，开拓了能长期保持数据的Ｅ２ＣＭＯＳ技术。目前所有的ＧＡＬｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ都应用了Ｌａｔｔｉｃｅ公司的高速ＵｌｔｒａＭＯＳ Ｅ２ＣＭＯＳ技术。Ｌａｔｔｉｃｅ公司已将其独特的ｉｓｐ技术应用到它的高密度可编程逻辑器件（ＨＤＰＬＤ）中，形成ｉｓｐＬＳＩ系列高密度在系统可编程逻辑器件，使得ｉｓｐ成为新产品研制和开发的理想工具。

1.2 ｉｓｐ器件的特点

    可编程逻辑器件的在系统编程能力必将更新人们设计、制造和维护电子系统的方法，具有如下特点：

    ·在系统编程允许用户“在系统之中”编程或修改逻辑设计，而无需将器件从线路板上拆上拆下。这就加速了系统和线路板的调试过程，便于用户在设计过程中更早地确定线路板的布局。

    ·当对传统的ＰＬＤ器件进行编程时，其测试、制造过程总是免不了人工处置。采用ｉｓｐＬＳＩ器件之后，可以将芯片直接焊接在印刷电路板上，然后再进行编程或改写。这就保证了调试制造过程中绝不会损伤器件的引脚。

    ·ｉｓｐＬＳＩ器件在焊接到印刷电路板上之后，仍可毫不困难地修改其逻辑功能，于是用户可在同一块电路板上实现各种硬件结构。

    ·通过软件重构系统，ｉｓｐＬＳＩ器件的现场改写只需从磁盘装入或通过调制解调器送入结构文件，实现起来非常容易，而且还可实现远距离遥控编程。

    ·所有ｉｓｐＬＳＩ器件都为用户提供了一个保密位来防止对片内编程模式的非法复制。保密位仅能在芯片改写时被擦除，因而一旦被编程后就无法读出芯片内原有的内部结构。

    此外ｉｓｐＬＳＩ器件也可以用市售的通用逻辑编程器来进行编程。

1.3 ｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ１０００系列的结构及特点

    ｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ逻辑块的基本单位是万能逻辑块（ＧＬＢ），这种万能逻辑块由四个输出逻辑宏单元（ＯＬＭＣ）组成。每个ＧＬＢ中有１８个输入、一个可编程的与／或／异或阵列和４个输出。ＧＬＢ的输入来自于集总布线区（ＧＲＰ Ｇｌｏｂａｌ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｏｏｌ）和直通输入。所有ＧＬＢ的输出都送至集总布线区，因此可使它们与器件中其它ＧＬＢ的输入相连，如图１所示。

    由８个ＧＬＢ、１６个Ｉ／Ｏ单元和两个直通输入互相连接而构成一个大块（Ｍｅｇａｂｌｏｃｋ）。这８个ＧＬＢ的输出通过输出布线区（ＯＲＰ Ｔｈｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｏｏｌ）被连至１６个通用Ｉ／Ｏ单元。每一个大块共享一个输出使能控制信号。

    ｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ器件由于逻辑输入端多，逻辑块划分较细腻而优越于一般的可编程逻辑器件。它之所以设计灵活，逻辑利用率高，是由于它具有灵活的布线资源和可供选择的宏单元时钟，还有输入寄存器和丰富的使能信号。ｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ器件编程速度快，出厂前１００％经过测试，因此在系统编程能力、质量、可靠性和生产率方面都领先于一般的ＰＬＤ。对于ｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ１０１６而言，它包括９６个寄存器、４个直通输入、３个直通输入时钟和一个集总布线区。ｉｓｐ１０１６具有５Ｖ在系统编程和在系统监测能力。ｉｓｐ１０１６共包括２个大块，内含１６个ＧＬＢ。该器件同时具有３２个Ｉ／Ｏ单元和４个直通输入，它们都直接连至Ｉ／Ｏ引脚。每一个Ｉ／Ｏ单元都可以单独编程为组合输入、寄存器输入、锁存器输入、输出或是具有三态控制的双向Ｉ／Ｏ引脚。

2 系统设计原理及框图

2.1 设计原理

    本设计的任务是设计一个数字信号源。要求码长可变；数据格式是可以符合任何一种建议的数据格式；码速率可调且在１～１０Ｍｂｐｓ之间。为此，在设计之初采用了以下方案，框图如图２所示，其中八分频电路，可置数的地址计数器电路及并／串转换电路由ｉｓｐ器件编程实现。为了实现码速在１～１０Ｍｂｐｓ之间可调，特采用ＤＤＳ器件产生出１～１０ＭＨｚ的正弦波信号，经过整形及滤波电路而形成方波，即主控时钟ＣＬＫ信号。主控时钟经过８分频电路而形成ＣＬＫ０信号，它成为可置数的地址计数器的计数脉冲。同时ＣＬＫ０信号经过反相成为并／串转换电路的置入（采样）脉冲信号ｆｓａ，而ＣＬＫ 信号经过反相成为并／串转换电路的时钟信号ｆｃｐ，这样ＣＬＫ信号的速率就决定了所产生的数据码流的速率。在ＥＰＲＯＭ存储器中存放着符合一定数据格式的数据。这样由可置数的地址计数器循环地长度可变地读出ＥＰＲＯＭ中的数据（以ｂｙｔｅ为单位），经过并／串转换电路便产生了码长可变、码速可变的数字码流。

    但是，考虑到ＥＰＲＯＭ编程及擦写的过程比较繁琐，数据不易改写，灵活性及通用性较差，因此，经过比较决定采用第二种方案。其框图如图３所示。

    在第二种方案中，ｉｓｐ器件仍由编程实现八分频电路、地址译码器电路及并／串转换电路的功能。图３中，端口电路的作用主要是通过不断查询Ｂ１５的状态，从而控制两片ＲＡＭ的读写进程。控制电路主要包括地址线选择控制，存储器片选控制，读写及输出使能端控制以及总线驱动控制等。设计中采用两片ＲＡＭ进行分时读写操作，这样做的目的是使数据信号的设计具有更大的灵活性。当微机对ＲＡＭ１进行写操作的同时，由ｉｓｐ器件中的地址计数译码对ＲＡＭ２进行读操作，读出的数据经ｉｓｐ内并／串转换部分而输出数据信号ＯＵＴ；同样地，当微机对ＲＡＭ２进行写操作的同时，由ｉｓｐ器件中的地址计数译码对ＲＡＭ１进行读操作，读出的数据经ｉｓｐ内并／串转换部分而输出数字信号流ＯＵＴ。如此往复循环，从而方便灵活地产生出符合设计要求的数字码流。

    由于设计中采用两套地址总线进行分时读写操作，而分时读写操作的切换主要是利用ｉｓｐＬＳＩ１０１６中地址计数译码电路的最高位—Ｂ１５。在整个工作期间，两片ＲＡＭ都应处于被选中的状态，即片选信号均应为低电平。当微机对一片ＲＡＭ进行写操作时，要保证ｉｓｐＬＳＩ１０１６对另一片ＲＡＭ进行读操作，每一片ＲＡＭ都有２个双向数据收发器７４ＬＳ２４５与之相连接。其中一个固定为输入→输出，对应为ｉｓｐＬＳＩ１０１６从ＲＡＭ中读出数据；另外一个固定为输出→输入，对应为微机向ＲＡＭ写数据。

    由于写操作是通过编程由微机控制的，速度较快，而读操作是由ｉｓｐＬＳＩ１０１６控制的，速度较慢，这就很有可能出现读写操作的混乱。为了防止这种情况的发生，在设计中增加了端口电路部分。我们可以在系统程序中增加一段不断查询端口的语句，而标志位就为Ｂ１５（因为对一片ＲＡＭ而言，Ｂ１５信号电平的改变就意味着读写状态的改变）。当查询到标志位发生改变时，立即进行下一轮读写；当查询到标志位不变时，继续查询，直至其发生改变为止，然后进行下一轮读写。

    对于ｉｓｐＬＳＩ１０１６的时钟输入，可以使用ＤＤＳ?直接数字频率合成?构造一个可变频率的正弦波产生电路，然后再进行波形变换而形成一个方波脉冲信号。但是为了简单起见，也可使用一个４ＭＨｚ的晶体和基本门电路搭成一个具有一定频率稳定度的方波产生电路。

    前面已经提到过ｉｓｐＬＳＩ１０１６由编程实现八分频电路、地址计数译码电路、并／串转换电路的功能。其中八分频电路可以看作是一个３位的计数器，它的进位信号就是外部输入时钟的八分频信号；地址计数译码电路也可以看作是一个１６位的地址计数器，它的低１５位就是作为输出的地址信号，它的最高位Ｂ１５是做为控制信号来使用的；并／串转换电路可以看作是一个八位的移位寄存器，它的移出信号就是所要产生的数据码流信号。

2.2 系统程序设计

    系统程序主要完成以下功能：由微机将符合一定建议数据格式的数据写入ＲＡＭ中，查询端口的状态并完成相应的操作，结束系统的工作等。系统程序流程图如图４所示。

3 ｉｓｐ编程设计

3.1 在系统编程原理

    ｉｓｐＬＳＩ器件的编程是由片内状态机控制的，状态的输入即为进入片内的五个编程接口信号。图５给出了在系统编程电路的典型结构。

    图中编程信号来自专门的在系统编程控制电路。编程过程即为把ＪＥＤＥＣ形式的熔丝图传送到器件中的过程。ｉｓｐＬＳＩ器件有两种模式：正常工作模式与编程模式。器件的工作模式是由在系统编程使能信号ｉｓｐＥＮ控制的。ｉｓｐＬＳＩ器件一旦进入编程模式，器件的编程操作就完全受片内ｉｓｐ状态机控制。在五个编程控制信号中，ｉｓｐＥＮ信号用来使能或取消其他四个编程控制信号。它们是：数据串入信号ＳＤＩ、模式控制信号ＭＯＤＥ、数据串出信号ＳＤＯ和串行时钟信号ＳＣＬＫ。在ＳＣＬＫ的作用下，来自ＪＥＤＥＣ文件的编程信息通过ＳＤＩ端口串行地移入器件，同时通过ＳＤＯ端口移出。ＳＣＬＫ同时也驱动片内状态机工作。当器件处于正常工作模式时，４个编程控制信号端口可以用作普通的直通输入端。对ｉｓｐＬＳＩ器件编程有多种方法。其中最简单的是直接把ｉｓｐ编程引脚当作专用的编程端口。用如图５那样的并行编程结构来进行编程。

3.2 设计软件简介

    如前所述，ｉｓｐ由编程实现八分频电路、地址计数器电路以及并／串转换电路的功能。在这里对ｉｓｐ编程采用原理图设计法，即先设计出满足上述功能的原理图，然后生成ＪＥＤＥＣ形式的熔丝图，再写入ｉｓｐ器件中。

    我们使用的绘制原理图的软件为ＯｒＣＡＤ Ｓｙｓｔｅｍ公司的ＯｒＣＡＤ／ＳＤＴ ＩＶ。需要注意的是，因为要使用ＯｒＣＡＤ Ｓｙｓｔｅｍｓ公司的ＷＤＯＷＮＬＤ软件包进行对ｉｓｐＬＳＩ１０１６的编程写入，所以在绘图时要采用库ＬＳＣ．ＬＩＢ（Ｌａｔｔｉｃｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｉｂｒａｒｙ）中的元件。也就是说，要使用ＬＳＣ库中基本逻辑门和Ｄ触发器来绘制出具有上述三种功能的ｉｓｐ编程原理图。在原理图绘制完毕之后，就可以用ＯｒＣＡＤ／ＳＤＴ ＩＶ中的网络表制作功能生成网络表．ＥＤＮ文件，此时还可使用ＯｒＣＡＤ／ＶＳＴ进行数字电路的逻辑模拟。在电路连接网表文件生成以后，就可以使用ｐＤＳ＋ ＯｒＣＡＤ Ｓｏｆｔｗａｒｅ软件包生成ＪＥＤＥＣ形式的熔丝图文件了。有关ｐＤＳ＋ ＯｒＣＡＤ Ｓｏｆｔｗａｒｅ的资料请参考文献[４]。当具有标准ＪＥＤＥＣ格式的熔丝图文件生成以后，就可以使用ＷＤＯＷＮＬＤ软件包（即ＤＯＷＮＬＯＡＤ ｆｏｒ Ｗｉｎｄｏｗｓ）对ｉｓｐ器件进行编程写入了。下载电缆线是专用的ｉｓｐＤＯＷＮＬＯＡＤ ＣＡＢＬＥ，它的一端是２５针的并行接口，另一端是一个８脚的插座。对ＷＤＯＷＮＬＯＡＤ软件感兴趣的读者请参考相关的资料。

    经过上述步骤，ｐＬＳＩ／ｉｓｐＬＳＩ１０１６就成为一个具有一定功能的逻辑器件了，我们也就可以在系统电路板上使用它了。

    总之，美国Ｌａｔｔｉｃｅ 公司将“在系统可编程（ｉｓｐ）”技术应用到高密度可编程器件中，形成既有可编程逻辑器件（ＰＬＤ）的性能与特点，又有现场可编程逻辑阵列（ＦＰＧＡ）高密度和灵活性的在系统可编程逻辑器件。本设计就是对这种器件进行了一定的开发及应用，设计出一种通用数字信号源。有关ｉｓｐ器件的开发及应用还值得我们作进一步的探索。