毕业设计（论文）-基于FPGA的控制芯片设计技术.docx

基于fpga的控制芯片设计技术目 录摘要abstract第一章 绪论11.1 国内外电力电子技术的发展11.1.1 国内外电机控制器的发展11.1.2 电动机驱动与控制系统的发展21.2 pwm控制发展21.3 控制策略发展历程31.4 课题的研究意义41.5 本论文研究的主要工作5第二章 基于fpga的控制芯片设计技术62.1 fpga概述62.1.1 fpga介绍62.1.2 fpga应用72.1.3 fpga的分类92.1.4 cyclone系列fpga102.2 fpga开发工具112.3 vhdl语言132.3.1 vhdl语言介绍132.3.2 vhdl语言特点142.3.3 vhdl语言的描述方式142.4 fpga的开发流程15第三章 硬件电路设计183.1 电机驱动模块183.1.1 lmd18245主要性能参数及引脚定义183.1.2 控制工作原理203.1.3 电流传感原理213.1.4 功能原理及注意事项223.1.5 直流电机控制电路的输出方式233.2 fpga器件243.3 差分电路与二进制输入电路253.4 数据采集模块263.4.1 ad7811工作模式293.5 lcd显示控制模块303.6 串行通信模块323.7 电源模块333.8 光耦隔离37第四章 fpga软件设计394.1 ad7811vhdl采样控制程序394.2 mdls显示控制程序414.3 pwm控制器设计454.3.1 pwm发生器的结构和原理454.3.2 计数器单元设计464.3.3 基准数据锁存控制器设计474.3.4 比较器单元及原始脉冲生成单元484.3.5 死区逻辑控制模块及pwm信号产生单元494.4 uart控制器的fpga实现50第五章 结论55致谢56参考文献57附件：直流电机调速硬件连接图 串行通信接口原理连接图v摘 要近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制pwm控制方式已成为主流。而随着可编程门阵列器件fpga的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。本文简要介绍了电力电子技术和直流电机的控制策略的发展历程，以及对直流电机控制方式的发展趋势；重点介绍了fpga的发展历程、应用、分类、开发工具、语言及开发流程等内容；详细分析了24v/3a并激直流电动机驱动方式的硬件电路设计以及差分电路和二进制数字量（10位）电路的硬件电路设计，特别是整个硬件电路的电源部分和信号干扰部分； 编写了ad7811数据采集模块、lcd显示驱动模块、pwm控制器模块和串行通信模块的vhdl程序。在quartus ii软件环境下，使用vhdl硬件语言实现整体模块化设计，从而能够实现对直流电机的调速，限位，显示，以及接受串行通信命令调速的功能。关键词：直流电机，脉宽调制，硬件语言，fpga abstractin recent years,the dc motors structure and control mode have taken great changes. with the development of power electronics devices and power-control technology, the pwm mode using fully controlled power devices already becomes mainstream. at the same time, the field programmable gate array appeared and it provides new method to the direct-current velocity modulation control. based on fpga, this control mode is realized easily, and provides new method for the direct current motor control digitization.this paper gives the power electronics and the dc motor control strategy of development process, as well as the control-method trends of dc motor; the development process, application, classification, development tools, language and content development process of fpga is introduced; the 24v/3a excited dc motor of driver mode hardware options and differential circuits and binary digital (10 bit) hardware implementation circuit is analyed detailly, especially on the hardware design of the power part and the part of signal interference; the ad7811 data acquisition modules, lcd display driver module, pwm controller module and the serial communication module are to be a detailed prepared. in the quartus ii of software environment, the use of vhdl language programmatically achieve a modular design, which can be achieved functions of the dc motor speed control, limited speed, display, and to receive commanded speed serial communication.keywords: dc motor, pwm, vhdl, fpga基于vhdl的直流电机的控制器设计 第一章 绪论 第一章 绪论电机是一种机电能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用。在越来越多的应用场合，只能旋转的电机已无法满足要求，而是要能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。这些功能的实现均要求对电机进行控制，所以，对电机的控制是电机应用的重要分支。电机在其实际应用中，已由过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。在这种情况下，原先的“电机控制” “电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。下面就电力电子技术和电机控制技术国内外的发展情况进行简要介绍。1.1 国内外电力电子技术的发展电力电子技术是电机控制技术1发展的最重要的助推器，电力电子技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件晶阐管(scr)发明至今，已经历了第二代可关断能力的电力电子器件gtr、gto、mosfet，第三代复合场控器件igbt、mct等，和如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路（pic）。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在相互竞争，新的应用不断出现。在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。现在已可以做到使用一片驱动电路，一路驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是模拟pid闭环，也必须将最终的输出转化为数字电平。因此，在功率器件的控制中采用数字控制技术明显优于模拟控制技术。1.1.1 国内外电机控制器的发展最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为数模混合电路，它大大提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用。因为近年来发展很快，当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，现有的专用集成电路难以满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑自己开发电机专用的控制芯片。现场可编程门阵列（fpga）6可以作为一种解决方案。作为开发设备，fpga可以方便地实现多次修改。出于fpga的集成度非常大，一片fpga少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。所以一片fpga就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言（vhdl或verilog hdl）来对系统进行设计，硬件描述语言摈弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的设计方法。fpga在电机控制中，最基本的要起三个作用：组合逻辑、计数器和状态机：在电机调速、变频控制中，存在大量的逻辑与、或、非运算，这是fpga最基本运算。利用fpga进行逻辑运算，无疑是非常方便的。1.1.2 电动机驱动与控制系统的发展随科学技术的发展，出现了许多跨领域，跨学科的综合性学科，电动机驱动控制技术就是具有这种高度综合的特点，电子技术、微电子技术、计算机技术给电动机系统以新的生命力。电动机驱动控制技术涉及机械学、电动力学、自动控制技术、微处理技术、电力电子学、传感器技术、计算机仿真技术、计算机接口技术、软件工程学等学科与领域。电动机驱动控制技术9一般包括执行机械技术、逆变与电动机驱动技术、运动信息及信号检测、自动控制技术、电动机系统集成、以嵌入式数字信号微处理器芯片为核心的单片电动机系统技术、网络信息家电中的电动机控制技术。按照iec（international electrotechnical commision,国际电工委员会）分类，一般用途电动机是指常见的交流电动机（包括异步电动机和同步电动机）、直流电动机，还有交直流两用的通用电动机（包括小功率单相换向器电动机），一般电动机将电能转换为机械能，向被驱动的机械部件提供动力来源。它们除了作为机电能量转换的一个部件外，实际上，相当于一部分电动机在应用时还需要对其起停、正反转、制动以及调速等控制。1.2 pwm控制发展脉冲宽度调制3（pluse width modulation，简称pwm）控制技术广泛应用于各种电源、电机、伺服系统、通信系统、电子控制器、功率控制等电力电子设备，在机械装置中也发挥着重要的作用，比如，车间的机床，液压位置控制系统等。pwm技术实现的核心思想是基于面积等效的原理，其一般表述为：冲量相等但形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上效果基本相同。因此对于各种不同形状的波形，可以通过改变波形的周期、占空比等方式来达到改变输出波形宽度的目的，从而得到所需幅度和频率的波形。简单来说，这种控制技术的本质是“等效”，即只要窄脉冲所围成的面积相等，则系统的响应或者输出波形的形状基本相同。正是由于这种简单的实现原理，加上目前各种电子器件的性能的提高以及控制方法的改进，使得pwm控制技术的应用领域不断拓宽，应用程度也不断加深。从信号的产生方法来说，工程上常见的pwm波产生方法有：1三角波比较法三角波比较法根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的开关时刻，可以由模拟电了电路、数字电子电路或专用大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成spwm。2滞环比较法该方法较多应用于电流跟踪控制。此法的优点是硬件电路简单,属于实时控制方式，反应快；不用载波，输出中不含特定频率谐波分量。其不足之处是检测信号的传感器必须是具有宽频带的高性能传感器。3空间电压矢量法空间电压矢量法（svpwm）也叫磁通正弦pwm法。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成pwm波形。4单周控制法单周控制法作为一种新型非线性控制技术提出，它可应用于pwm控制、软开关等。这种方法的基本思想是在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例。1.3 控制策略发展历程电力电子器件3经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路提高了控制信号的开关频率，只需接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片4还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过软件程序的改变方便地调节控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。在电力电子电路中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电流电压调节、pwm信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度、高稳定度的控制特性，并可实现多种灵活的控制功能15。但单片的工作频率和控制精度是一对矛盾，而且处理速度难以满足高频电路的要求。与单片机相比，dsp6（digital signal processing,数字信号处理器）具有更快的处理速度、更高的集成度和更大的容量。在电力电子装置中，dsp主要完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能。应用的具体电路包括双向dc-dc变换器、逆变电源、光伏发电逆变器、ups逆变控制电路、交流电机调速电路、谐波抑制电路等。虽然dsp有许多优点，但也存在一些局限性，如采样频率的选择、pwm信号频率及其精度、采样延时、运算时间及其精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。比较而言，dsp适合应用于取样速率低和软件复杂程度高的场合；而当系统取样速率高(mhz级)、数据率高（20mb/s以上）、条件操作少、任务比较固定时，fpga更有优势。fpga已用于逆变器控制系统、直流电机调速、pwm控制等。目前单片机、dsp和fpga等在电力电子电路的控制系统中得到了日益广泛的应用。随着电力电子电路的日趋高频化和复杂化，这些芯片的单一采用往往难以达到期望的控制效果。因此，各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要发展趋势。(1)单片机+dsp结构比如，在ups中，dc-dc，ac-dc的控制可以采用单片机，而dc-ac的控制则采用运算速度和频率更高的dsp芯片。(2)dsp+fpga结构dsp具有软件的灵活性，而fpga具有硬件的高速性，能够处理复杂算法。因此，该结构有助于在设计中协调软、硬件之间的关系。(3)嵌入dsp模块的fpga将具有基本数字信号功能的dsp模块嵌入到fpga中，这样fpga提供的dsp性能可以达到每秒1280亿mac（乘法并累加），将大大高于目前主流dsp的性能。数字化控制已广泛应用于电力电子电路的各个方面，满足了电力电子电路日趋高频化和复杂化发展的需要，在提高系统效率、改善系统性能等方面发挥着越来越重要的作用。1.4 课题的研究意义目前的数字化整流器多采用mcu（micro control unit，微型处理器），dsp，以软件实现控制算法。这种以软件为主的方案较大程度上依赖于处理器的性能。但随着功率器件开关频率的提高以及数字控制算法的日趋复杂，而目前处理器进行运算多数还是串行方式，在算法的实时性和高速性上存在缺陷。采用并联系统又会增加成本，使控制器结构复杂，不利于编程实现，同时也会降低其可靠性。fpga的出现为这个问题的解决提供了一个新的方向。可编程门阵列（fpga）可以方便地实现多次修改。由于fpga的集成度非常大，一片fpga少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。一片fpga就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。大规模的fpga则可以让我们将微处理器、专用硬件算法单元，专用波形发生单元、信号采集处理单元等都集成于单个芯片上，使之成为一个完整的电力电子控制系统。应用在数字化电力电子设备中，可以大大简化控制系统结构，并可实现多种专用高速算法，具有较高的性价比。与由纯软件控制的数字系统相比，它用硬件连线实现其软件算法，加快了运算速度，可以实现真正意义上的并行计算，提高了系统抗干扰性能。在集成度、速度和系统功能方面满足应用需要。1.5 本论文研究的主要工作随着集成电路技术的发展，分立元件走向集成化。其中，控制电路的集成是电力电子集成技术中非常重要的一部分。目前，数字控制系统通常基于数字信号处理器（dsp）实现，但是dsp是软件实现算法，串行执行指令，速度受到限制，对于速度要求特别高的场合不适用，且只用dsp作控制器不能解决控制电路中的逻辑问题，为此，本文提出了一种采用现场可编程门阵列（fpga）器件实现数字pwm控制器实现直流电机调速的方案。主要工作分为以下四个方面：(1) 直流电动机驱动电路的选择；(2) 基于fpga的lcd显示和数据采集；(3) 基于fpga的串行通信命令调速；(4) 分析实现基于fpga的数字pwm控制器的原理和方法。文中对方案的实现进行了比较详细的论述，包括a/d采样控制、lcd显示控制、pwm波形的产生、串行通信各模块的工作原理。59 基于vhdl的直流电机控制器的设计 第二章 基于fpga的控制芯片设计技术 第二章 基于fpga的控制芯片设计技术目前的数字化变流控制器多以mcudsp21为核心，以软件实现离散域的运算及控制。这种以软件为主的方案较大程度上依赖于处理器的性能。而控制器大规模的控制运算将会占用较多的cpu（central processing unit,中央处理器）时间，常使其无法进行时序事件控制管理，限制其性能的发挥。再者，现代数字控制算法复杂，而目前处理器进行运算多数还是串行方式，很难保证算法的实时性和高速性。采用并联系统又会增加成本，使控制器结构复杂，降低其可靠性。fpga的出现使这个问题有了一种新的解决方案。2.1 fpga概述2.1.1 fpga介绍fpga（field programmable gate array，现场可编程门阵列）1011613是在pal（programmable array logic, 可编程阵列逻辑），gal（generic arrary logic, 通用阵列逻辑）等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的pal，gal等相比较，fpga的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用ic芯片，这样的fpga实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是xilinx公司和altera公司的fpga器件系列，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点。这些fpga器件具有pal和gal等的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与其它asic（application specific ic，专用集成芯片）相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。几乎所有应用门阵列、逻辑器件和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用fpga器件。上至高性能cpu，下至简单的74系列电路，都可以用fpga来实现。fpga如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由地设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在pcb（printed circuit board,印刷电路板）完成以后，还可以利用fpga的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用fpga来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少pcb面积，提高系统的可靠性。专用集成电路（asic）采用硬接线的固定模式，而现场可编程门阵列（fpga）则采用可配置芯片的方法，二者差别迥异。可编程器件是目前的新生力量。一般来说，asic用于大型项目，而对于需要快速投放市场且支持远程升级的小型项目，fpga则更为适合。asic和fpga供应商对这两种技术孰优孰劣不能达成共识，对适合的应用领域也持不同看法。上述技术及其衍生技术将可能在今后一段时间内长期存在。fpga技术的主要优势仍是产品投放市场的时间较短，而asic的性能、密度和单位容量都相当出色，不过随着fpga的发展和asic的开发成本不断上升，将会导致asic的市场份额不断缩小。fpga的真正优势有两方面：一是能用可靠的标准部件迅速进行开发，而且可以方便地修改，以添加新的特性；二是能在开发期间或在产品生命期内修正错误。而且，与asic不同的是，fpga作为内置标准还带有更多功能，如可测试性或jtag（joint test group action,联合测试行为组织）接口，这可节约设计时间和成本。fpga和其它类型的可编程asic一样，可以由用户编程实现专门的功能，这是由于它们内部都包含有以下三大部分：位于芯片中央的可编程功能单元；位于芯片四周的可编程io模块；分布在芯片各处的可编程布线资源。fpga作为特殊的asic芯片，它们除了具有asic的特点之外，还具有以下几个优点：1、随着visi（very large scale ic，超大规模集成电路）工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，fpga芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上千万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。2、fpga芯片在出厂之前都做过缜密的测试，不需要设计人员承担相关风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，fpga的资金投入小，节省了许多潜在的花费。3、用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。fpga软件包中有各种输入工具和仿真工具，版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出fpga的优势。电路设计人员使用fpga进行电路设计时，不需要具备专门的集成电路深层次的知识，fpga软件易学易用，用户甚至可以不用详细了解fpga的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或硬件描述语言来完成相当优秀的fpga设计。2.1.2 fpga应用当前半导体工艺水平已经达到深亚微米，时钟频率也发展到ghz以上，fpga的规模也超过百万门级。同以往的pal、gal等相比较，fpga的规模比较大，更适合于时序、组合等逻辑电路应用场合。它主要应用于以下几个方面：1. 专用集成电路（asic）fpga是实现各种逻辑电路的一个完整的途径，尤其适合于半定制专用集成（aslc）的实现。2. 随机逻辑（random logic）电路以前，随机逻辑电路通常采用pla(可编程逻辑阵列)来实现。虽然pla通常比fpga速度要快，但是如果对电路的速度要求不是很高或者不是很关键，这样的电路也可以用fpga来是实现。但是一片fpga实现的电路要用约二十片pla才能实现，因此采用fpga的好处是提高了系统的可靠性，系统架构也更加紧凑。3. 替代小规模电路芯片由很多小规模电路芯片构成的电路功能都能在一片fpga中实现，节省了电路板的面积，提高了系统可靠性。4. 原型设计fpga可能是进行原型设计最理想的载体了。实现成本低、开发周期短等好处使得fpga完全能够取代传统的原型设计方法。原型设计的最初框架和实现可以通fpga来验证，而且随着项目进行的逐渐深入，在原型设计上的任何修改都是非常容易并且快速。5. 基于fpga的计算引擎实现通过重新配置在电路板上的fpga来实现全新的计算机。这种计算机由很多插有fpga的电路板构成，通常fpga之间也是通过铜线连通的。基本的思想是软件或程序都可以通过“编译”的方式（使用高级的综合技术或人工完成）转化成硬件实现。然后再把这些硬件下载到fpga中。这样会带来两个好处：第一，不存在传统的微处理器不可避免的取指令时间，因为fpga直接实现了指令，程序的运行速度可以提高一至两个数量级；第二，fpga本身就是具有并行处理的能力，这样又能提高软件的运行速度。6. 可重配置的硬件使用fpga构成的机器的具体功能在使用过程中也可以改变，这也是fpga吸引入的原因之一。比如，在远地的计算机设备由于某个设计错误可能需修改，如果该设备由fpga实现，那么这种修改就可以很容易实现。当然，这样的fpga必须是可更改的。对于fpga实现半定制专用集成电路，相比于全定制asic，二者的设计技术大部分相同，但是基于fpga的半定制asic具有许多全定制asic所无法比拟的灵活性与快速性。传统全定制的asic研制分为三步：设计、制造与封装、最终测试。如果在将设计交付工厂制作掩膜后又做出任何改动，或者在终测时发现缺陷，那么就必须重新制作新的掩膜，然后再重复制造与终测步骤。以上因素导致：如果研制的asic生产量小，那么其价格将非常昂贵；同时在芯片制造过程已经开始后的任何设计修改或错误都将是一个灾难。现场可编程门阵列fpga的出现弥补了全定制asic设计的不足。利用fpga的在线可重构性和可配置计算能力，设计者能够在不进行流片的情况下就完成对设计原型的验证和修改。由于fpga是由掩膜门阵列和可编程器件演化而来，最终完成的设计在二者上的表现相差不大。因此对于asic设计来说，使用fpga在实现了小型化、集成化和高可靠性的同时，减少了风险，降低了成本，缩短了设计周期，使第一块硅片就实现正确的设计成为可能，避免了昂贵的重新设计过程。fpga的规模比较大，更适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，可以替代几十甚至上百块通用lc芯片，已经成为半定制专用集成电路(asic)的重要载体。 2.1.3 fpga的分类按照制造技术，一般分为以下几类：1. 熔丝型fpga早期的prom器件就是采用熔丝结构的，编程过程就是根据设计的熔丝图文件来烧断对应的熔丝，来达到编程的目的。2. 反熔丝型fpga其是对熔丝技术的改进，在编程处通过击穿漏层使得两点之间获得导通，这与熔丝烧断获得开路正好相反。控制布线结构用反熔丝进行一次性配置。当下电后仍然保持配置，而不需要外部配置存储器。但是由于工艺问题很难做到百万门规模，配置时间长达几分钟。小批量可以代替asic。3. eprom型称为紫外线擦除电可编程逻辑器件。它是用较高的编程电压进行编程，当需要再次编程时，用紫外线进行擦除，可多次编程。4. eeprom型即电可擦写编程器件。现有的大部分cpld及gal器件采用此类结构。它是对eprom工艺的改进，不需要紫外线擦除，而是直接用电擦除。5. sram型。即sram查找表结构的器件。大部分的fpga器件都是采用此种编程工艺。如xilinx和altera的fpga器件都采用的是sram编程方式。这种编程方式在编程速度、编程要求上要优于前四种器件，不过sram型器件的编程信息存放在ram中，在断电就丢失了，需要专用器件来保存配置。6. flash型可以配置几千次，不挥发，在几秒内完成现场升级，而且掉电无须重新配置，但是其价格较高。2.1.4 cyclone系列fpgaaltera公司1821生产的cyclone系列的fpga器件基于15v，130rim，sram工艺，最多可有20，060个逻辑单元、288k bits ram。该系列器件除提供锁相环（phase lockedloop，pll），可对外部时钟输入信号进行倍频、分频以满足多时钟设计的需求外，还有专门的双倍数据率（double data rate，ddr）接口，以满足与ddr同步动态随机存储器sdram（synchronous dynamic random access mermory）和fcram（fast cyde ram）接口的需要。此外，cyclone系列器件支持多种io标准，可满足多接口标准设计的需要。在器件配置方面，altera为cyclone系列器件提供低成本的串行配置器件（epcsl，epcs4）。下面对cyclone系列fpga器件的主要结构进行简要的说明。1. 逻辑阵列块（lab）cyclone fpga的每个逻辑阵列块（logic array block，lab）包含10个基本逻辑单元(le)、lab控制信号、1个局部互连通道、查找表（lut）即寄存器级连连接线。同一个lab内的le通过局部互连通道传递信号，“查找表级连”连接实现lab内部le之间的快速顺序连接，而“寄存器级连”连接则完成各le寄存器之间的连接。quartus ii软件的编译器自动使用局部互连、查找表级连和寄存器级连将相关逻辑放在同一个或相邻iab中实现，从而通过提高设计的性能和逻辑资源的利用率。cyclone fpga的lab还使用专门的逻辑来为内部的le提供各种控制信号，这些信号包括：时钟、时钟使能、异步清除、同步清除、异步置位载入、同步载入以及增/减控制信号。其中，通过使用加减（addsub）控制信号，单个le可实现1位的加法器和减法器，这一特点使得在实现如dsp相关器和符号数乘法器等逻辑函数时能节约le资源并提高性能。2. 互连结构cyclone器件结构中，逻辑单元(le)、m4k存储块以及io引脚之间可通过多种通道进行互连。这种多通道互连（multitrack interconnect）结构direct drive工艺，该工艺是一种确定性布线技术，可保证设计放在器件任何地方都能使用相同的布线资源。cyclone器件中专用的行互连通道主要包括下面两种布线资源：相邻逻辑阵列块（lab）之间的直接链路（direct link interconnect）；连接跨越4个lab的行互连通道（r4 interconnect）。lab和m4k可使用直接链路连接驱动邻近的lab或m4k，这样不需要相并行互连（r4 interconnect）资源即可实现彼此之问的快速通信。r4- interconnect跨越4个lab，或者2个lab和一个m4k存储块，用于实现lab之间的快退行连接。r4 interconnect可驱动别的r4 interconnect，从而扩大lab驱动的范围此外，r4interconnect行互连通道还可驱动ca interconnect列互连通道。cyclone器件的列互连通道结构与行互连类似，这里不再作介绍。从上述cyclone器件互连结构的特点可见，逻辑单元之间可通过多种路径实现快速通信，而且行互连通道和列互连通道均跨越固定的距离，这种跨越固定长度的布线结构使设计的性能可预测，从而可能实现对设计时间延迟的准确抑制。并且也有利于数字系统设计中对竞争冒险的抑制。3. 嵌入式存储块（embedded memory）控制器设计使用的cyclone eplc6器件提供20个m4k嵌入式存储块，ram bits总量达9216k。这些wk块可配置为ram，rom及fifo缓存器，并支持独立时钟模式、输入输出时钟模式和读写时钟模式，这里不作介绍。此外，m4k为每个字节提供1位奇偶校验位以保证数据的完整性。4. 全局时钟网络和锁相环（pll）cyclone的全局时钟网络为器件中所有资源提供快速的时钟布线通道，器件外部引脚输入的控制信号如时钟使能、异步同步等也可使用该布线资源。此外内部逻辑产生的时钟信号、清除信号和使能信号或其它扇出数目较大的控制信号也能驱动全局时钟网络。对于设计中的全局时钟、清除和使能信号，quartus ii软件自动使用全局时钟网络布线，而一些关键信号则可通过设计综合的逻辑选项（logic option）来使用全局时钟网络，以减小布线延迟，提高设计的性能和可靠性。cyclone器件的全局时钟网络和锁相环为多时钟设计提供了完整的解决方案。除外部输入的系统时钟（50mhz）外，中心控制器设计需要多个频率的时钟信号，如ad转换器采样时钟（2mhz）、锁相模块所用时钟（5mhz）等。cyclone器件内部的每个pll都有3个时钟输出端，可为cyclone器件外的其它器件提供时钟信号。上述3个时钟均可为输入时钟的倍频或分频，可设置相对于输入时钟incllo的相位偏移，并可调整输出时钟的占空比。极大的减小了多时钟设计的复杂性。由上可见，cyclone器件内的锁相环(pll)为多时钟系统的设计带来极大的灵活性。综上，我们采用altera公司cyclone系列fpga器件用于整个系统的设计实现。2.2 fpga开发工具工具平台对于系统开发十分重要，好的工具可以极大地提高设计效率，达到事半功倍的效果，下面介绍几款常用优秀fpga设计工具。、quartus ii12,quartus ii是altera公司的第四代可编程逻辑器件开发软件，它是一个高度集成的高效设计环境，包含了可编程逻辑器件设计中所有的输入、编译、综合优化、定时分析、仿真以及器件编程等设计功能。quartus ii使用简便，而且对altera系列器件的编译配置性能最为优异。支持的器件非常广泛，包括apex 20k，apex 20kc，armbasedexcalibur，cyclone，flex，mercury和mipsbased excalibur器件等。采用了powerfit适配技术和logiclock增强技术提高了设计效率，可以支持百万门级的设计。quartus ii可以产生并识别edif网表文件、vhdl网表文件和verilog hdl网表文件，为其他eda工具提供了方便的接口；可以在quartus ii集成环境中自动运行其他eda工具。对第三方工具提供了良好的支持。新增加signaltap- ii嵌入式逻辑分析仪，它能够捕获和显示可编程单芯片系统(sopc)设计中实时信号的状态，通过下载电缆，在计算机中观察fpga内部节点信号，使得开发者可以在整个设计过程中以系统级的速度观察硬件和软件的交互作用。二、prosynplify prolzl是synplicity公司推出所一款fpga综合工具，其独有性和极快的运算速度使它成为业界的最流行的也是最强力的综合工具，而且还加了调试优化功能。使用prosynplify可以提高fpga设计的性能，缩短开发的时间。如果对项目管理有进一步的要求。例如，管理一个设计的不同版本,synplifypro也提供了这样的功能。synplify pro有如下优点：1 best算法对设计进行整体优化，和传统的工具相比在极短的时间内对整个设计做优化；2 scope对设计多层次的约束使设计者能够完全控制综合过程；3 自动对关键路径做时序再优化，可提高性能多达25；4 支持verilog hdl，vhdl及混合语言的设计；5 充分支持verilog hdl和vhdl的最新标准；6 自动对rom和乘法器做流水线以达到更快的性能；7 自动选择状态机的最优编码方式以达到最快的性能，并能快速调试和查看设计中的所有的状态机；8 集成第三方工具的接口，可以和流行的仿真工具和输入工具之间实现互相标识；9 在时延报告和原理图之间对关键路径做交互标识；10创建探针，允许把任何信号连到芯片的引脚做测试而不改变源码；11语言敏感编辑器可以快速有效地编写hdl代码，自动对verilog hdl和vhdl进行语法检查；12 自动识别ram减少了手工例化ram的麻烦。正常情况下，quartus ii和synplify pro通过altera的nativelink实现无缝链接。三、modelsimmentor graphics公司的modelsim是业界较好的仿真工具，其仿真功能强大，且图形化界面友好，而且具有结构、信号、波形、进程、数据流等窗口。在fpga的设计流程中，设计仿真包含在设计过程的每一环节中，以保证设计的正确性。modelsim不仅可以完成设计的功能验证（rtl级），也可实现逻辑综合后的门级仿真以及布局布线后的功能与时序验证。modelsim完全支持vhdl和verilog标准；采用直接编辑技术，大大提高hdl编译和仿真速度。modelsim是唯一支持vhdl和verilog混合描述的仿真工具；它支持rtl级和门级验证，支持vital，sdf等；仿真器包括主控窗口、源码窗口、仿真波形窗口、列表窗口、数据流窗口、设计结构层次窗口、过程管理窗口等；同时支持unix和window 95小型平台，不同平台间具有相同的用户界面和数据库。在quartus ii设计平台上，quartus ii与modelsim之间有一个公共接口，利用此接口，modelsim可调用设计文件进行仿真分析。在调试环境中设计者可以通过modelsim的快速调试步骤以及对各种信号的监控功能（无论信号处于vhdl层，还是处于混合语言层）使仿真的执行过程形象直观化，帮助设计者及时发现漏洞，缩短设计周期。以上这些工具各有其优点，在数字系统设计的今天，利用多种工具进行设计处理，同时使用fpga快速设计专用系统或作为检验手段已经成为数字系统设计中不可或缺的一种方式，了解并熟悉其设计流程应成为现今电子工程师的一种必备知识。2.3 vhdl语言技术的飞速发展使得集成电路的设计规模同益增大，复杂程度日益增高。伴随着设计规模的增大，传统的自下至上的、采用通用逻辑元器件的硬件描述方法变得过于复杂，（sic）的开发和研制，为了提高开发的效率，增加己有开发成果的继承性以及缩短开发时间，各asic研制和生产厂家相继开发了用于各自目的硬件描述语言（hdl）可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系的语言，它能比原理图更有效地表示硬件电路的特性。其中最有代表性的是美国国防部开发的vhdl语言（vhsic hardware description language超高速集成电路硬件描述语言）。2.3.1 vhdl语言介绍fpga的设计一般都采用hdl语言（hardware description language，硬件描述语言）1013。hdl语言的出现将硬件设计转化为软件设计，使得硬件开发工作变得方便、快捷而直观。由于用hdl设计集成电路同半导体工艺无关，所以设计的集成电路可以用不同的半导体工艺生产。这就是hdl设计的ip可以复用、移植的关键之一。目前国际通行的hdl语言有两种：vhdl和verilog hdl，这两种语言都己成为ieee标准，现行的商用开发系统大多同时支持这两种语言。vhdl语言标准由美国军方制定，较适合于高层次的系统描述，语法结构相对比较严谨：verilog hdl语言由民间公司开发，低层次的描述语法丰富，语言风格类似于c语言，编程比较灵活。两种语言各有千秋，从编程者的偏好来看这两种语言都不存在绝对的优势。统计数字显示：美国公司中vhdl和verilog hdl的使用者比例约为40对60，而中国台湾的使用者的比例大致相等。2.3.2 vhdl语言特点vhdl语言具有如下特点：1、vhdl语言可以支持自上至下（topdown）和基于库（librarybased）的设计方法，而且还支持同步电路、异步电路及其它随机电路的设计。其范围之广使其它hdl语言所不能比拟的。2、vhdl语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数学模型直到门级电路；支持大规模设计的分解和设计重用；支持传输延迟和惯性延迟，可以更准确的建立复杂的电路硬件模型。3、在用vhdl语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺有关的信息，这样在工艺更新vhdl语言的所谓自上至下的设计方法，就是从系统总体要求出发，自上至下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在利用vhdl语言的硬件设计时，就无需修改原设计程序，只要改变相应的映射工具即可。可见，无论修改电路还是修改工艺，相互之间不会产生什么不良影响。4、vhdl语言已作为一种ieee的工业标准，设计成果便于复用和交流，这样又进一步推动vhdl语言的推广和完善：另外vhdl语言的语法比较严格，给阅读和使用都带来了极大的好处。5、vhdl语言具有并发性，体现在两个方面：首先使用vhdl语言进行数字电路设计时存在并发性，即vhdl语言支持设计分解，可使被分解的各子部分的设计并行完成，这些子部分的设计由三部分组成：定义实体确定模型与环境的接口：定义结构体一完成模型的功能描述：定义测试部分一为模型生成测试向量，并捕获模型输出信号状态以供分析。其次，vhdl语言在执行上具有并发性，很适合描述电路的并发性特点。2.3.3 vhdl语言的描述方式vhdl语言