复杂可编程逻辑器件在通信数据传输中的应用

1 概述

随着大规模集成电路和单片机的迅速发展，复杂可编程逻辑器件（CPLD）具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点，在电子产品设计中得到了广泛的应用。CPLD 可实现在系统编程，重复多次，而且还兼容IEEE1149.1(JTAG)标准的测试激励端和边界扫描能力，使用CPLD 器件进行开发，不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性，而且大大缩短产品的设计周期。由于CPLD 采用连续连接结构，易于预测延时，从而使电路仿真更加准确。CPLD 是标准的大规模集成电路产品，可用于各种数字逻辑系统的设计。近年来，随着采用先进的集成工艺和大批量生产，CPLD 器件成本不断下降，集成密度、速度和性能都大幅度提高，这样一个芯片就可以实现一个复杂的数字电路系统；再加上使用方便的开发工具，给设计修改带来很大方便。

实验室设计开发了一款无线数据接收平台，上下行速率可以达到1Mbps。射频部分采用了Maxim 的射频套片，基带部分采用了OMAP 平台，基带射频接口采用了ADI 公司的混合信号前端（MxFE?）基带传输芯片AD9861，系统的逻辑控制和数据的缓冲采用了ALTERA 的CPLD EPM240GT100C3。

2 EPM240GT100C3 实现的功能与总体要求

EPM240GT100C3要完成AD9861的时序控制、AD9861和OMAP之间的数据缓存以及提供网口芯片LAN91C93所需的控制信号。在这几项功能中，最主要的是数据缓存功能。要想正确地实现缓存功能，就必须要求缓存的收发I、Q数据不丢失，不颠倒，不错相，同时保证数据的先写后读。按照这样的思想，再结合两边的接口时序正确地配置读写地址、读写时钟，就可以完成所需功能。

3 CPLD 程序的详细设计

CPLD的主要功能是完成数据缓存和一些时钟控制信号的产生。其功能框图如图1所示，主要包括双口RAM存储体单元，时钟和控制信号产生单元，OMAP侧地址发生单元，AD9861侧地址发生单元。



图1 CPLD 功能框图

3.1 双口RAM 的设计方法

因为OMAP和AD9861两边都有读写操作，于是选择了双口RAM（DPRAM）作为数据的缓存。由于CPLD内部的逻辑资源和布线资源有限，并且没有独立的DPRAM区，只能用DFF来完成缓存功能，这就限制了DPRAM的大小。因为系统要求每个DMA中断读写8个数据，为了减小读写冲突的可能性，同时尽量地降低FF资源的利用，最终采用了相当于两个8×8大小乒乓缓冲的16×8双口RAM缓冲区。DPRAM的外部接口如图2所示：



图2 DPRAM 的外部接口

其中dina和douta接OMAP的数据线，dinb和doutb接AD9861的数据线，addra和addrb为内部产生的读写地址。Wr_rd_en控制读写的方向，和TX_RX相连，即当Wr_rd_en＝’1’时，为发射，数据由OMAP写入，AD读出，数据流向从dina－＞doub; 当Wr_rd_en＝’0’时，为接收，数据由AD端写入，AD读出，数据流向从dinb－＞doua;wrclk在四种时钟之间切换，分别为3.2768M，6.4M，75M，84M，由TX_RX和V_D_SEL信号的高低来控制。为了降低布线资源的使用，读数时没有用读时钟，而是直接把addra和addrb地址上的数据输出，因为addra和addrb本来就是与读写时钟同步的。            
               
3.2 时钟产生

CPLD输入时钟有来自射频的16M时钟，来自外部晶振的32.768M时钟和来自OMAP接口的75M时钟CLK。其中16M时钟用于产生数据应用时AD9861所需要的3.2M、6.4M转换时钟，32.768M时钟用于产生语音应用时AD9861所需要的1.6384M、3.2768M时钟以及CODEC AIC1110所需要的8K和2.048M时钟。SDCLK本可以作为OMAP读写的主时钟，但必须要使用CAS信号作为读写允许配合使用才行，为了节省布线资源，不用读写允许，就直接用CAS作为写时钟及OMAP侧的地址产生使用，而SDCLK则用于产生一些同步脉冲。这些产生的时钟除了输出给外部芯片外，还在CPLD内部作为地址产生的时钟使用。3.2M和6.4M的时钟产生是把16M的时钟从0到4计数，由reset和ad_da_enable给计数器清零，这样的模5计数器的最低位即为6.4M，次低位为3.2M时钟。这种时钟产生的方式只需要三个DFF，节省逻辑资源，而且不会产生毛刺，但产生的时钟占空比不是50％，实践证明在低速应用时，AD9861是可以正常工作的。系统的时钟时序如图3所示。



图3 时钟时序

1.6384M和3.2768M时钟的方法同理，只是需要把32.768M的时钟20分频而已，同样计数器的清零由reset和ad_da_enable控制，这样得到的模20计数器的第2位即为3.2768M，第三位为1.6384时钟，时序跟上图相似，这里就不再给出。

这四个时钟被分时赋给AD9861的主时钟ADA_CLK，具体是哪个时钟被赋ADA_CLK，由收发切换信号TX_RX，语音和数据选择信号V_D_SEL控制。当TX_RX=’0’ 且V_D_SEL=’0’时，输出给ADA_CLK的时钟为1.6384M；当TX_RX=’1’且V_D_SEL=’0’时，输出给ADA_CLK的时钟为3.2768M；当TX_RX=’0’ 且D_SEL=’1’时，输出给ADA_CLK的时钟为3.2M；当TX_RX=’1’ 且V_D_SEL=’1’时，输出给ADA_CLK的时钟为6.4M。

为了进一步节省资源，可以考虑把模5和模20的计数器共用，方案如图4所示，BIT1和BIT2即为所需的时钟，这时前端时钟源由V_D_SEL选择，BIT1和BIT2的选择输出由TX_RX控制。



图4 模5 模20 计数器共用的时钟产生方案

2.048M的时钟产生由32.768M时钟16分频得到，计数器的复位由reset和语音允许audcken控制，这样得到的模16的计数器的高位即为2.048M时钟。8K时钟是对产生的2.048M时钟256分频得到。