PC机与CPLD通信问题的研究

    摘要：根据PC机作上位机和下位机的CPLD串行通信的特点，简介上位机VB程序的编写；详述在EDA软件MAXPLUSII的环境下，利用AHDL语言，编写下位机程序。此设计具有波特率高、传输准确等优点，并下载到芯片通过硬件试验验证。

    关键词：串行通信 可编程逻辑器件 VB语言

引言

用CPLD（复杂可编程逻辑器件）设计乃至仿真、验证、利用ISP（在系统可编程）对硬件调试都非常方便，所以开发周期很短，且I/O口随意设定，故用CPLD设计专用芯片是大势所趋。VB是一种面向对象的高级语言，应用这的通信控件编写上位机的通信程序十分方便，过程简单。本文针对CPLD和PC通信的特点，各编写了上位机和下位机的程序，进行相对高速的串行通信。

1 上位机和下位机通信特点简介

根据串行通信的协议，发送串行数据一般是：1个起始位、n个数据位，1个或多个停止位。这样，发送起始位以后表明传输开始。传送与接收的双方设定好同样的传输位数，直到n个数据位送完以后，送停止位。上位机和下位机的电平标准不同，它们通过RS-232电平标准转换，在两者之间接入RS-232电平转换芯片即可。上位机和下位机的传输是异步传输，这样就需要有一个参考脉冲代表传输速度即波特率。通信双方取得一样的通信速度bps，指的是每一秒钟所传送的位数。现在仪器和工业场合，一般9 600 bps是最常见的速度，而现在个人计算机PC所提供的串行速度可 115 200bps（甚至921 600 bps）。因为常用的单片机MCU的软件是过程语言，以其作为下位机，无法提供这么高的波特率，即使是较低的波特率也可能产生误差。所以在传输距离较近而设备也可提供时，使用最高的传输速度也可以。CPLD的软件是非过程语言，也就是说其逻辑段定义的所有动作是同时进行的而不是串行的，所以完全可以提供这样的高速下位机UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）。

2 上位机VB程序

上位机软件利用VB6编写。微软的VISUAL BASIC语言有极其友好的界面，深受广大编程人员的好评。其可视化特点得到了很好的发挥，其中的MSCOMM控件非常方便编写软件，将最低层的部分隐蔽，只要了解自己需要的参数即可顺序编写上位机软件。现在简介该控件的各项参数：

CommPort——指定串行口；

PortOpen——串口是否打开；

InPut——输入寄存器；

Output——输出寄存器；

InBufferSize——输入缓冲区大小；

OutBufferSize——输出缓冲区大小；

InputLen——一次由串行端口读入字符串长度或字节个数；

Settings——设备波特率、传输数据位、校验位、停止位；

InputMode——输入的是数据类型（文字形式或是二进制形式）。

上位机程序要和下位机配合起来。主要须考虑的问题是波特率、输入输出数据类型。对于从下位机到上位机输出数据的情况，可作以下处理（反之类似）：

Settings 115200，n,8,1（波特率115 200bps，校验位默认，8位数据位，1个停止位）

对于上位机，将输入的数据以二进制数形式获取要通过以下的转换：

Dim data() As Byte

Private Sub Timer1_Timer()

data()=MSComm1.Input

For i=LBound(data)To UBound(data)

Text2.Text=data(i)

Next

End Sub

在串口打开的情况下，利用定时器定时从下位机获取数据，显示在窗口中。通过设置VB定时器控件的interval参数来控制读取时间。可见，上位机利用VB编写程序，十分方便，这是一种成熟的模块化语言，只要把参数给定，很快可以实现编程。

3 下位机通信程序编写

MAXPLUSII里有许多常用的宏单元，如计数器、四则运算、各类逻辑门乃至ROM、RAM等；而在这些宏单元里具体的参数都可以由用户来自行设定，这就是上面提到的IP核形式。由于CPLD数字设计中结构化设计的趋势，不同层次的IP（intellectual Property）核将出现。各个IP核可重复利用，大大提高了设计能力和效率，避免了重复劳动。以下设计的是下位机的IP核，它是一个波特率、起始位、停止位均可设定的宏单元。

MAXPLUSII的AHDL（Altera Hard ware Description Language）是Altera公司开发的完全集成于MAXPLUSII中的一种模块化高级语言，特别适合于描述复杂的组合逻辑、组运算、状态机和真值表。本文利用AHDL，直接生成IP核。

设计的最终目标是生成如图1所示的Symbol。其参数可以由用户设定（如图1的右上角），选择先送（收）串行数据最高位或最低位、数据宽度、停止位等。

    设计思想是利用状态机的3种状态send(receive)、wait、idle，系统时钟为输入的CLK，在这3种状态间变换。而BAUD为CLK分频后的波特率时间。发送时，当BAUD上升沿时，输出1位串行数据。输出全部结束时，BUSY端出现低电平信号，这时利用LOAD信号可以从D端读取并入的数据。由于使用的是AHDL，这种状态机实现起来非常方便，程序简洁明了。图2所示为状态机图。

程序清单如下：

CASE Ss IS --状态机

WHEN idle =>

IF Load THEN

Ss=wait;

ELSE

Ss=idle;

END IF;

WHEN wait =>

IF Baud THEN

Ss=send;

ELSE

Ss=wait;

END IF;

WHEN send =>

IF count[]!=0 THEN

Ss=wait;

ELSE

Ss=idle;

END IF;

WHEN OTHERS =>

Ss=idle;

END CASE;

TxD=InShift[WIDTH+1]; --TXD串出

IF Ss!=idle THEN --控制BUSY

Busy=VCC;

END IF;

CASE Ss IS

WHEN idle =>

count[]=WIDTH+STOP_BITS; --等传送的位数

WHEN send =>

count[ ]=count[ ]-1;

WHEN OTHERS =>

Count[]=count[]；

END CASE；

CASE Ss IS --控制输入寄存器

WHEN idle =>

IF MSB_FIRST= =“YES”GENERATE

DTMP[]=D[];

ELSE GENERATE

FOR each_bit IN 0 TO WIDTH-1 GENERATE

DTMP[WINDTH-1-each_bit]=D[each_bit];

END GENERATE;

END GENERATE;

InShift[]=(1,0,DTMP[]);

WHEN send =>

InSift[WIDTH+1..1]=InShift[WIDTH..0];

InShift[0]=VCC;

WHEN OTHERS=>

InShift[]=InShift[];

END CASE;

图3为仿真波形，系统时钟CLK为6MHz，50分频后得到周期为868ns的时钟BAUD，即波特率为115 200 bps。设定为从高位到低位依次传送：起始位1位，低电平；8位数据位，1个停止位，为高电平。图3中显示分别传送十进制数20、21、22、23（即二进制数00010100 00010101 00010110 00010111）的情况，LOAD信号一直有效。可见，传送1个数据总共有10位，1个起始位、8个数据位、1个停止位。按照波特率115 200 bps，传送1个数据需要的时间为86.8μs。这个数度充分体现了CPLD的优势，比单片机MCU串行传输要快上10倍以上。如果上位机UART允许，这个速度还可以增大到接近MCU串行传输的100倍，即波特率为921 600 bps。

设计完成通过仿真以后，通过编程电磁将生成的pof文件用ISP（在线编程）方式下载到CPLD板EPM7128LC84-6，外接RS-232电平转换芯片HIN232CP。经过电平转换，CPLD和PC机接口通信，上位机用VB编写程序。试验证明，在高速情况下，通信正常。