基于CPLD的电子秤逻辑接口设计

现代电子仪器系统的多功能化、智能化程度不断增加，并且随着实际应用场合的改变，随时都有可能要求对系统功能进行升级，因此在硬件设计上越来越要依靠EDA辅助设计手段。本文主要讨论了基于CPLD的电子秤逻辑控制电路设计，重点介绍CPU地址空间扩展问题，解决了热敏打印机驱动设计及其他接口设计问题。

1 系统组成及设计指标

本文所设计的电子秤系统包括主控单元、存储器、键盘显示、检测与转换、数据传输与通信、打印以及系统时钟等硬件模块，图1所示为系统组成框图。由于采用了CPU和CPLD协同控制的设计方案，硬件模块间的关联性高，电路元器件数量少，对系统EMC有明显改善，更为重要的是符合嵌入式软件的设计理念，对系统实时操作系统的移植、管理大有裨益。它除了计量、打印等一般功能外，还具备良好的用户/客户LCD中文图形人机接口界面、以太网远程控制与数据传输、C-S无线数据传输等功能，操作简单直观，扩展、升级更新迅速方便，在不改变控制系统的前提下，更改CPU方案也很方便，如改成DSP/ARM方案。

系统功能与设计指标为：最小称重5g；2MB Flash存储器，128KB带电电池保护RAM；128×64点阵LCD显示界面，100键键盘，46位客户LED；10MHz以太网通信接口；905MHz智能信道扫描无线通信接口；精工高速热敏打印机等。

2 主控单元

主控单元的功能是控制整个电子秤系统的运行状态、协调各个功能模块的关系以及处理过程信息等，主要包括改进型51核单片机和CPLD两部分。

采用单片机作为主控CPU主要是从产品成本考虑的。很多新型MSC51核单片机不但软件、硬件与传统的MCS51系列单片机完全兼容，并且在速度、抗干扰性能、稳定性以及性价比等方面较后者具有明显优势。图2中CPU采用SST89E58，它与8位标准51系列单片机完全兼容，工作频率0～40MHz，工作电压范围2.7V～5.5V，其Super Flash存储结构等先进特性可以为用户提供极高的可靠性和极低的成本。该单片机与CPLD结合，可以建立功能强大的商用电子秤操作、控制平台。

商用电子秤的性能要求决定了硬件设计的复杂性。本文用CPLD搭建了可重构数字平台作为逻辑控制部件，所有时序控制、地址分配全部交给CPLD完成，用来代替传统的低密度AISC器件，充分发挥CPLD的优势，使CPU对外接器件近似透明，从而可以专注于过程信息的处理，不过多参与硬件控制。图2中CPLD采用1片Altera公司MAX7000系列CPLD EPM7256AET144-7，该芯片有144个引脚，能够解决包括存储器访问、键盘扫描、显示等功能模块的控制和驱动问题，用单片器件实现了CPU与所有外围设备的逻辑接口，使得整个操作控制系统的主板面积大为缩减，整体性能稳定性大为提高。在CPLD中实现的功能模块有：地址译码、打印机驱动、PWM调制转换等部分。为提高开发效率，减少调试中的不可预测问题，采用分级、分步骤设计方法，设计一部分，调试一部分。


3 接口逻辑与地址分配

商用电子秤的应用环境决定了它所需要的外扩端口资源多、存储器容量较大，因此在逻辑设计中，地址分配与管理问题就显得特别重要。

首先，由于单片机64KB的寻址范围无法覆盖2MB存储空间，本文采用了分块-分页的方法管理存储器：将P1与P2/P0口一起作为地址线使用，使总的地址线达到24条，CPU的有效寻址空间高达16MB单元。同时，这16MB空间被进一步平均划分成8个块，每块分32页，每页64KB。其中P1.5-P1.7线作为块寻址线，分别供Flash、RAM、I/O口使用；P1.0-1.4线作为页寻址线，刚好生成32个有效页地址；P2/P0作为单片机默认的地址总线，用来寻址每页内连续的64KB存储单元。寻址实现方法：每寻址一个单元，单片机分两次送出地址号，第1次从P1口送出块/页地址号，第2次从P2/P0口送出页内地址号。块地址不能直接送给目标器件，而是经过CPLD译码后送给对应器件，如图3所示。显然，P0口仍旧复用为数据总线和低8位地址总线，P0口数据经过CPLD锁存后作为低8位地址给存储器使用，而P0口直接引出的数据线并接到所有器件的数据线上。CPU工作于40MHz时钟频率，中和每次寻址送两次地址对速度带来的影响。

其次，由于单片机的P1口已被扩展为地址线，而P3口又只能用其第二功能，故已再无其他端口线可以用作通用I/O控制线。为此，本文采用I/O口统一寻址方式，除了存储器以外的器件全部安排在I/O寻址空间，所有数据（包括串行通信中的串-并转换结果）都经过CPLD缓存之后再送入CPU中，所有存储器及外部I/O端口统一分配地址：第1块A00000H～BFFFFH地址分配给FLASH使用，第2块C00000H～C1FFFFH地址分配给RAM使用，第3块分配给其他并接在I/O总线上的所有端口使用。存储器组织结构如图4所示。