一種CPLD自供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

有一種常見的工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用，即按一個(gè)長(zhǎng)間隔(如每分鐘一次)對(duì)環(huán)境條件，如GPS(全球定位系統(tǒng))位置、電壓、溫度或光線進(jìn)行采樣的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)正越來越多地采用無線和電池供電方式，它每分鐘蘇醒過來，作一次采樣，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)中央數(shù)據(jù)采集終端，然后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。本設(shè)計(jì)實(shí)例用一片Altera EPM240-T100 CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)中的一小部分，結(jié)合一些分立電容、電阻、二極管和MOSFET,通過一個(gè)RC定時(shí)器電路，自動(dòng)將一個(gè)CPLD系統(tǒng)從完全斷電狀態(tài)喚醒。

CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜(在系統(tǒng)編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元(MC,Macro Cell)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。

圖1是基本的CPLD開/關(guān)定時(shí)器。Q1是一片IRLML6302 P溝道MOSFET,用作系統(tǒng)的電源控制開關(guān)。當(dāng)門節(jié)點(diǎn)為VCC時(shí)，R2上拉，連接CPLD和整個(gè)系統(tǒng)的電源均被切斷，只有RC電路消耗少量電能。CPLD帶有一個(gè)控制塊、一個(gè)4.4MHz內(nèi)部振蕩器、一個(gè)3位寄存器，以及6個(gè)I/O.圖2為控制部分的狀態(tài)機(jī)。從掉電到上電的虛線表示時(shí)間延遲，該時(shí)間延遲在系統(tǒng)斷電時(shí)由R1與C1構(gòu)成的RC電路測(cè)量。開關(guān)S1接通時(shí)電路初始化。當(dāng)S1閉合時(shí)，D2將門節(jié)點(diǎn)拉低，當(dāng)門電壓低于VCC 0.7V時(shí)Q1導(dǎo)通。Q1加電不到200ms后，EPM240-T100工作在上電狀態(tài)。上電狀態(tài)將電源節(jié)點(diǎn)拉低，將門電壓保持在0.7V,在開關(guān)打開后使Q1維持導(dǎo)通。

接下來，采樣與傳輸電路開始工作，使done信號(hào)為0.當(dāng)采樣與傳輸完成時(shí)，done信號(hào)變?yōu)?,而控制塊進(jìn)入保存狀態(tài)。保存狀態(tài)按照Register 1中的值，將電容C2充電至CN.保存狀態(tài)激活100ms時(shí)間，使輸出對(duì)10mF電容完全充電。經(jīng)過100ms后，控制塊進(jìn)入斷電狀態(tài)，停止驅(qū)動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)與電源節(jié)點(diǎn)。R4將電源節(jié)點(diǎn)拉高，而R2拉高門節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)門節(jié)點(diǎn)使VCC-VTQ1達(dá)到大約 2.3V時(shí)，Q1切斷系統(tǒng)的供電。EPM240-T100的所有I/O均處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，并且不影響門節(jié)點(diǎn)或充電節(jié)點(diǎn)。充電節(jié)點(diǎn)開始于VCC,并在電源關(guān)斷時(shí)開始通過R1放電。一旦充電節(jié)點(diǎn)掉落到2.3V,D1拉低門節(jié)點(diǎn)。當(dāng)充電節(jié)點(diǎn)達(dá)到1.6V 時(shí)，門節(jié)點(diǎn)為2.3V,Q1 導(dǎo)通。

器件在上電狀態(tài)上電，但很快轉(zhuǎn)至采樣狀態(tài)。采樣狀態(tài)記錄電容C2、C3和C4上的值。這些電容用作非易失存儲(chǔ)器，保存以前上電循環(huán)的次數(shù)。如果C4 ~ C2上采樣的Register 1值小于7,則控制塊開始遞增，而Register 1的值以1為增量增加。然后，控制塊再次進(jìn)入保存狀態(tài)，C2 ~C4充電到一個(gè)新的二進(jìn)制值001.器件再次斷電。在第8次上電循環(huán)，或上電后大約80s,控制塊轉(zhuǎn)為使能狀態(tài)，因而開始一個(gè)新的采樣與傳輸順序。這個(gè)過程每80s重復(fù)一次。你可以調(diào)整C1和R1改變Register1的大小和使能循環(huán)之間的計(jì)數(shù)，就可以改變這個(gè)80s的周期。由于80s周期包含8個(gè)較小的上電采樣、測(cè)試與斷電循環(huán)，供電的占空周期小于3%,因此，這種方案將電池壽命增加了33倍。