1、1,智能電氣裝備設(shè)計技術(shù)（第一部分）,楊 彥 杰,2,智能電氣裝備一般涉及的內(nèi)容,MCU、DSP及其他智能處理核心及外圍電路 模擬量采集 開關(guān)量輸入/輸出 模擬量輸出 功能按鍵 LCD或LED 串行通訊接口RS232/485/422 CAN 實時時鐘 數(shù)字電位器 軟件編程,3,MCU、DSP及其他,按功能 MCU、DSP、DSC、工控機(jī)或其他嵌入系統(tǒng) 按位數(shù) 8位： MCS51（INTEL、ATMEL、ST、siliconlabs、PHILIPS）、 AVR、PIC10/12/16/18、HC(S)08 16位： MCS96/98/196/296、HC(S)12、XC166、320F2407、

2、 MSP430、56800/E、ADSP2100、dsPIC24/30/33、ST10F 32位： i960、386EX、320C30、320F2812、 320F28335 、PIC32 ADSP21020、486、LPC2000-ARM、AT91ARM、68K/ColdFire 按指令結(jié)構(gòu) CISC RISC ARM 按內(nèi)置程序存儲器 無內(nèi)存型 OTP EPROM FLASH 按工作電壓 5V 3.3V 2.5V 1.8V,4,外圍電路接口,外擴(kuò)并行總線 獨立總線 、 復(fù)用總線 串行總線 I2C（Inter-IC）總線由Philips公司推出，它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制

3、方式簡化，器件封裝形式小等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。 串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU都配有SPI硬件接口。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強，所以，與SPI有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務(wù)。 存儲器分類 RAM(SRAM FRAM NVRAM MRAM) ROM( OTP EPROM EEPROM FLASH) 電平轉(zhuǎn)換 譯碼邏輯 4000系列、通用74系

4、列、PLD器件(PAL GAL CPLD FPGA) 監(jiān)控復(fù)位電路,5,復(fù)用總線方式,6,I2c總線1,7,I2c總線2,8,SPI（serial peripheral interface）總線,9,存儲器RAM,SRAM 隨機(jī)存貯器RAM（RandomAccessMemory）。其大致可分為靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）兩種。SRAM的速度非常快，在快速讀取和刷新時能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。掉電數(shù)據(jù)即失。程序中的變量經(jīng)常被存在SRAM中。 NVRAM 非易失存儲器，一般為SRAM+鋰電池及控制電路。如DS1220Y為 16k全靜態(tài)非易失RAM。在沒有外部電源的情況下最少可以

5、保存數(shù)據(jù)10年 ，掉電期間數(shù)據(jù)被自動保護(hù)，直接替代2k x 8易失靜態(tài)RAM或EEPROM ，沒有寫次數(shù)限制。 FRAM 鐵電存儲器FRAM 提供一種與RAM一致的性能,但又有與ROM 一樣的非易失性。與EEPROM相比，鐵電存儲器的訪問速度快，如FM1808讀寫最小周期均為130ns與一般RAM相當(dāng)，與NVRAM相比不需內(nèi)置電池。 MRAM 磁阻式隨機(jī)存取存儲器（MRAM）采用磁矩（而非電荷）來確定存儲器位單元的開關(guān)狀態(tài)。 MRAM將SRAM的速度和Flash的非易失性整合到一個芯片上。MRAM是一項非易失性存儲器技術(shù)，可以在掉電時保留數(shù)據(jù)，并且不需要定期刷新。如：freescale的MR2

6、A16A(256Kx16)。,10,存儲器ROM（1）,OTP OTP（One Time Programable）為一次性可編程ROM，適合于程序已固定不變的應(yīng)用場合 。 EPROM EPROM（Erasable Programmable ROM） 芯片可通過編程器寫入程序，通過紫外線 擦除然后再次寫入程序。 EEPROM EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）的擦除不需要借助于編程器，而且是以Byte為最小修改單位，不必將資料全部洗掉才能寫入，寫入速度慢，一般用于可修改變量的存儲，寫入次數(shù)有限制（100萬次）。有串行

7、（I2C、SPI等）和并行接口類型。,11,存儲器ROM（2）,FLASH FLASHROM掉電數(shù)據(jù)不丟失、遠(yuǎn)較EPROM快速的數(shù)據(jù)存取時間、電可擦除、容量大、在線(系統(tǒng)內(nèi))可編程、價格低廉、以及足夠多的擦寫次數(shù)(一百萬)和可靠性等，已成為新一代嵌入式應(yīng)用的首選存儲器。一個Flash ROM通常被分為很多塊或扇區(qū)（例如64KB塊）每個塊可以被單獨的擦除。不能對塊中的單個字節(jié)編程除非先擦除整個塊。 可用于程序和數(shù)據(jù)常量的保存。,12,電平轉(zhuǎn)換,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,小結(jié),23,譯碼邏輯,24,25,26,27,PLD器件(PAL GAL CPLD FPGA)

8、,PLD可編程邏輯器件（Programable Logic Device） PAL可編程陣列邏輯(Programable Array Logic) GAL通用陣列邏輯(Generic Array Logic) CPLD復(fù)雜PLD(Complex PLD) FPGA現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programable Gate Array) PLD能做什么呢？可以毫不夸張的講，PLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用PLD來實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^傳統(tǒng)的原理圖輸入法，也可用硬件描述語言自由地的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。,28,早期產(chǎn)品PAL和GAL,PAL由一個可編程的“與”

9、平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。 PAL器件是現(xiàn)場可編程的，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列(PLA)，它也由一個“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(guān)系是可編程的。 PLA器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。 GAL通用陣列邏輯(Generic Array Logic)是在PAL的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工藝，實現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計具有很強的靈活性，至

10、今仍有許多人使用。 這些早期的PLD器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。,29,CPLD,基于乘積項（Product-Term)的PLD結(jié)構(gòu) ,這種PLD可分為三塊結(jié)構(gòu)：宏單元（Marocell)，可編程連線（PIA)和I/O控制塊。,30,31,FPGA,采用查找表（Look-Up-Table)原理的PLD芯片稱為FPGA：如altera的ACEX,APEX系列,xilinx的Spartan,Virtex系列等。 查找表（Look-Up-Table)簡稱為LUT，LUT本質(zhì)上就是一個RAM。 目前FPGA中多使用4輸入的LUT

11、，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的16x1的RAM。 當(dāng)用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后，PLD/FPGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫入RAM,這樣，每輸入一個信號進(jìn)行邏輯運算就等于輸入一個地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。 由于LUT主要適合SRAM工藝生產(chǎn)，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工藝的，而SRAM工藝的芯片在掉電后信息就會丟失，一定需要外加一片專用配置芯片，在上電的時候，由這個專用配置芯片把數(shù)據(jù)加載到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置時間很短，不會影響系統(tǒng)正常工作。 也有少數(shù)FPGA采用反熔

12、絲或Flash工藝，對這種FPGA，就不需要外加專用的配置芯片。,32,XILINX Spartan II FPGA,33,其他類型的FPGA和PLD 隨著技術(shù)的發(fā)展，在2004年以后，一些廠家推出了一些新的PLD和FPGA，這些產(chǎn)品模糊了PLD和FPGA的區(qū)別。例如Altera最新的MAXII系列PLD，這是一種基于FPGA（LUT）結(jié)構(gòu)，集成配置芯片的PLD，在本質(zhì)上它就是一種在內(nèi)部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置時間極短，上電就可以工作，所以對用戶來說，感覺不到配置過程，可以傳統(tǒng)的PLD一樣使用，加上容量和傳統(tǒng)PLD類似，所以altera把它歸作PLD。 還有像Lattice的XP系

13、列FPGA，也是使用了同樣的原理，將外部配置芯片集成到內(nèi)部,在使用方法上和PLD類似，但是因為容量大，性能和傳統(tǒng)FPGA相同，也是LUT架構(gòu)，所以Lattice仍把它歸為FPGA。 PLD or FPGA 根據(jù)PLD的結(jié)構(gòu)和原理可以知道，PLD分解組合邏輯的功能很強，一個宏單元就可以分解十幾個甚至2030多個組合邏輯輸入。而FPGA的一個LUT只能處理4輸入的組合邏輯，因此，PLD適合用于設(shè)計譯碼等復(fù)雜組合邏輯。 但FPGA的制造工藝確定了FPGA芯片中包含的LUT和觸發(fā)器的數(shù)量非常多，往往都是幾千上萬，PLD一般只能做到512個邏輯單元，而且如果用芯片價格除以邏輯單元數(shù)量，F(xiàn)PGA的平均邏輯

14、單元成本大大低于PLD。 所以如果設(shè)計中使用到大量觸發(fā)器，例如設(shè)計一個復(fù)雜的時序邏輯，那么使用FPGA就是一個很好選擇。 同時PLD擁有上電即可工作的特性，而大部分FPGA需要一個加載過程，所以，如果系統(tǒng)要可編程邏輯器件上電就要工作，那么就應(yīng)該選擇PLD。,34,主要生產(chǎn)廠家,ALTERA：九十年代以后發(fā)展很快，是最大可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。主要產(chǎn)品有：MAX3000/7000,FLEX10K,APEX20K，ACEX1K，Stratix，Cyclone等。開發(fā)軟件為MaxplusII和QuartusII。 普遍認(rèn)為其開發(fā)工具M(jìn)axplusII是最成功的PLD開發(fā)平臺之一，配合使用Alter

15、a公司提供的免費OEM HDL綜合工具可以達(dá)到較高的效率。 XILINX：FPGA的發(fā)明者，老牌PLD公司，是最大可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。產(chǎn)品種類較全，主要有：XC9500/4000，Coolrunner(XPLA3) ，Spartan, Virtex等。開發(fā)軟件為Foundition和ISE。通常來說，在歐洲用Xilinx的人多，在日本和亞太地區(qū)用ALTERA的人多，在美國則是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的?？梢灾vAltera和Xilinx共同決定了PLD技術(shù)的發(fā)展方向。 Lattice：Lattice是ISP技術(shù)的發(fā)明者,ISP技術(shù)極大的

16、促進(jìn)了PLD產(chǎn)品的發(fā)展，與ALTERA和XILINX相比，其開發(fā)工具比ALTERA和XILINX略遜一籌。中小規(guī)模PLD比較有特色，不過其大規(guī)模PLD、FPGA的競爭力還不夠強 1999年推出可編程模擬器件。主要產(chǎn)品有ispLSI2000/5000/8000, MACH4/5，ispMACH4000等 ACTEL：反熔絲（一次性燒寫）PLD的領(lǐng)導(dǎo)者，由于反熔絲PLD抗輻射，耐高低溫，功耗低，速度快，所以在軍品和宇航級上有較大優(yōu)勢。ALTERA和XILINX則一般不涉足軍品和宇航級市場。,35,監(jiān)控復(fù)位電路,單片機(jī)復(fù)位可分為內(nèi)部與外部事件復(fù)位。外部事件復(fù)位包括上電復(fù)位、RES復(fù)位和低電壓復(fù)位。 上電復(fù)位和RES復(fù)位是人為的正常復(fù)位，以保證程序計數(shù)器被清零且程序從頭開始執(zhí)行。要正常進(jìn)行這兩種復(fù)位動作，需要外接正確的RES復(fù)位電路，一般來說不同的單片機(jī)的復(fù)位電路稍有不同，單片機(jī)廠商都會提供標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)位電路資料。 當(dāng)電源電壓受外部干擾，低于正常工作電壓時，會造成程序功能運行不正常，嚴(yán)重的還可能造成單片機(jī)死機(jī)。需要用低電壓復(fù)位來解決這個問題。通常可以用兩個方法實現(xiàn)低電壓復(fù)位：1、