（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga技术的银行多功能回单机控制系统的研究.pdf

摘要 随着我国经济不断高速发展，以及银行新业务的不断推出，各种自动处理银 行业务的客户自助设备应运而生。银行多功能回单机就是一种能自动完成提取票 据和存放票据的自助设备，并具有一定的远程辅助管理能力。由于银行业务要求 的特殊性，它要求达到非常高的可靠性，而现有各种回单机控制系统不能完全达 到高可靠性的要求。 本文分析了目前已经研制的各种银行回单机控制系统的优缺点的基础上，提 出采用p l d ( 可编程逻辑器件) 和e d a 技术对银行回单机控制系统进行改进的方 案。该设计运用超高速集成电路硬件描述语言v h d l 和x i l i n x 公司的x c 2 s 2 0 0 芯 片设计了一个回单机取单、放单控制的专用硬件集成电路；同时为了便于p c 机 控制设计的专用集成电路而设计了一个与p c 机通信的u a r t 串口；为了直接将取 单、放单运行进程控制数据输出给步进电机而设计了步进电机环形分配器。仿真、 调试经验表明，该控制系统能够较好完成设计所具有的控制性能，且还具有体积 小、可靠性高和抗干扰能力强等特点。由于f p g a 器件以其功能强大、开发过程 投资少、周期短、可反复修改、保密性能好，开发工具智能化等特点，可随时根 据需要编程改变器件内部结构实现系统重构，从而方便地进行系统维护和升级， 因此p l d 已成为当今数字电路系统设计的首选方式之一。 虽然本设计只是一个简单的设计验证系统，要实际应用还有一定差距。但作 为设计控制系统的一种新方法和新思路，同时f p g a 作为一种半定制集成电路设 计技术会越来越广泛地被应用，这对提高数字硬件系统设计水平和性能具有重要 意义。 关键词：银行回单机超高速集成电路硬件描述语言电子设计自动化 复杂可编程逻辑器件专用集成电路 a b s t r a c t w i t ht h eu n i n t e r r u p t e dg r o w t ho fo u rc o u n t r ye c o n o m ya th i g hs p e e d a n dt h en e ws e r v i c e so fb a n k sc o m ec o n t i n u o u s l yf o r t h ，a l1k i n d so f c u s t o m e rs e l f s e r v i c ee q u i p m e n t sc a nd e a la u t o m a t i c a l l yw i t he v e r yk i n d 。fb a n kb u s i n e s sh a se m e r g e a st h et i m e sr e q u i r e t h em u l t i - f u n c t i o n a u t o m a t i cn o t e ss y s t e mo fb a n ki st h ea u t o m a t i cf i n a n c i a ls e l f - s e r v i c e e q u i p m e n tt h a tc a nf e t c ht h en o t e sf r o mn o t e st h eb o xa n dl a yt h en o t e s t ot h en o t e sb o x ，a sw e l la s i tc a nb em a n a g e db yt h er e m o t ep c b e c a u s e o ft h ep a r t i c u l a r i t yo ft h eb a n ks e r v i c e ，i tm u s tm e e tt h ee x t r e m e l yh i g h r e l i a b i l i t y b u tt h em u l t i f u n c t i o n a u t o m a t i cn o t e ss y s t e mo fb a n kh a v i n g b e e nd e s i g n e dc a n tm e e th i g hr e l i a b i l i t y o nt h eb a s i co fa n a l y s i st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h ec o n t r o l s y s t e mo ft h ea u t o m a t i cn o t e ss y s t e mo fb a n kh a v i n gb e e nd e s i g n e d ，t h e p a p e rp r e s e n t san e wd e s i g ns c h e m et h a t m a k e sf u l lu s eo ft h ec p l da n d e d at e c h n o l o g yt od e s i g nan e wc o n t r o ls y s t e m t h ed i s s e r t a t i o nm a k e su s e o fv h d lt od e s i g na na s i co ft h ec o n t r o ls y s t e mo fa u t o m a t i cn o t e ss y s t e m ， u a r t ，a n dc i r c u l a ri m p u l s ed i s t r i b u t o r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h es y s t e mi ss u p e r i o rt ot h eo l dc o n t r o ls y s t e mi ns i z e ，r e l i a b i l i t y a n dt h ec a p a b i l i t yo fa n t i j a m m i n g b e c a u s et h es y s t e mc a nb em o d i f i e d a ss o f t w a r e ，a l t h o u g hi ti sh a r d w a r ei nn a t u r e ，w h i c hc a nb em a i n t a i n e d a n du p d a t e de a s i e r ，c p l da n de d at e c h n o l o g yh a v eb e e nc h i e f l yc h o s e ni n n u m e r i cs y s t e md e s i g nn o w w h i l et h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e di sp r e s e n t e db yt h ep a p e rt h a ti s o n l yas i m p l ee x p e r i m e n ts y s t e m ，w h i c hi sag r e a td i s t a n c ef r o mi t sr e a l a p p l i c a t i o n b u ti ti sd e s i g n e db yan e wm e t h o da n d an e wd e s i g nt h i n k i n g ， a sw e l la sc p l di san e wh a l f c u s t o ma s i ct e c h n o l o g yt h a tw i l lb eu s e d w i d e ra n dw i d e r i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h en u m e r i cc o n t r o l s y s t e mp e r f o r m a n c ea n de n h a n c ee n g i n e e rd e s i g nc a p a c i t y k e yw o r d s ：t h ea u t o m a t i cn o t e ss y s t e mo fb a n kv h d le d ac p l da s i c i i 第一章绪论 本章首先介绍了银行多功能回单机产生原因、生产过程以及应用前景，再简 要介绍了e d a 技术的基本概念和国内外发展动态并提出将f p g a 技术应用于银行 多功能回单机控制系统。 1 1 银行多功能回单机简介 1 1 1 概述 近几年来，随着我国经济的不断高速增长，以及银行新业务的不断推出，还 有我国加入w t o 后，银行面临的竞争压力不断增大，使得我国国内银行迫切要求 提高工作效率、减少人工成本，这样各种能自动处理各种银行业务的客户自助设 备就应运而生，比如自动点钞与验钞机、排队叫号机、a t m 自动柜台机。银行多 功能回单机就是为了满足这样的需要而设计的金融自助设备。 为满足银行客户的要求，国内相继有多家公司设计生产了各种功能的多功能 回单机或回单柜，其中比较有名公司就有清华同方融达公司、南京航泰科技开发 有限公司、福建省漳州市富顺电子有限公司、四川康姆逊电磁防护有限责任公司、 深圳市三角洲科技开发有限公司、上海惠捷电子设备有限公司、浙江七星科技开 发有限公司等都开发生产了多种银行回单机或回单柜。其中南京航泰科技开发有 限公司早在1 9 9 2 年就已经研制出了“银行自动回单机”，在2 0 0 1 年其更是被列 入“2 0 0 1 年度国家火炬计划”项目“1 。 国内的这些厂商先后提出了多种银行多功能回单机的控制系统，主要是以下 三种回单机比较常见： 1 柜式回单机。这主要是以福建省漳卅i 市富顺电子有限公司、上海惠捷电子 设备有限公司等为主，形状类似中药铺药柜的大柜子，各个小柜子类似于电脑的 光驱，都有小电机控制盒子的进出。1 。这种类型的回单机可靠性好，但银行工作 人员劳动强度大，占地面积大。 2 机械手式回单机。这主要以清华同方融达老式的回单机为代表，利用控制 机械手运动去抽取各个小盒子达到取单的目的“1 。这种类型的回单机对机械手装 1 置精度要求高，可靠性难以保证，没有得到广泛应用。 3 滚简式回单机。这是比较普遍采用的回单机样式，通过旋转盘控制单据 盒所在的格、垂直控制轴控制单据盒所在的层、水平控制轴控制单据盒进出来达 到取单的目的。这种类型的回单机外观优美、能动态存取单据、方便地扩大容量、 体积小等优点，正得到广泛的应用。 1 1 2 银行多功能回单机功能介绍 银行多功能回单机是集回单自动提取与回放、多媒体查询、远程管理等功能 于一体的金融自助设备。它能完成票据自动提取、自动打印单据、位置设置、数 量显示，以及远程控制取票、查询票据数量和种类的主要功能。这样可以大大减 少银行工作人员的数量，提高银行系统的效率。 银行多功能回单机的回单自动提取和回放功能，主要依靠机电一体化自动控 制设备来完成的。而多媒体查询、远程管理、单据数量显示、远程控制存取等功 能，可以利用现在发达的i n t e r n e t 网络及p c 机或服务器上的后台管理软件等来 实现。因此，银行多功能回单机的研制主要是完成机电一体化的自动控制设备的 研制，这也保障回单机工作可靠性的关键。 1 1 3 应用前景 传统的回单箱单据交换方式主要通过人民银行同城票据交换中心来实行。随 着社会公用事业中代收付业务近年来的迅速发展，目前人民银行同城结算业务中 推行电子数据交换的“一户通”系统，使跨行结算速度大大加快，同时也给众多 的中小银行提供了平台和机遇。 然而电子数据交换速度加快后，对公结算凭证的交换、传递仍沿用传统的回 单箱方式，已到帐的资金客户还是不能及时入账，客户没有真正体验到“一户通” 快捷的效果。况且凭证通过回单箱交换的形式仍存在诸多问题： l 、需要有专职员工每天往回单箱内放置回单凭证，易造成回单放错或遗失。 2 、回单箱结构庞大，机构复杂，易出故障，占用空间大，形象差。 3 、客户不能及时拿到凭单。 4 、不利于银行争取客户，这也是最主要的原因，特别是中小银行因没有大 银行遍布的网点，在争取客户的竞争中就尤为困难。这也是因为大多数开户企业 选择就近开户的主要因素之一“1 。 这就要求出现一种新型回单凭证交换设备来完成这些工作。而银行多功能回 单机的出现不仅克服了传统回单箱单据交换方式的缺陷，它还填补了国内真正实 现多功能地智能管理回单的空白，其应用前景必将非常广阔。同时随着我国金融 体制改革的不断深入，金融企业的服务将不断增多，社会信息化水平不断提高对 有关信息处理速度要求也会不断提高，提高效率的要求不断提高，特别各种金融 类新业务的展开使得需处理的单据大量增加，这使得金融企业也会越来越多地采 用象“银行多功能回单机”这样的各种金融自助设备。据新华网2 0 0 3 年3 月2 9 日文章报道：上海南京路的中国工商银行第三支行就采用了“自动回单机”，客 户可以自行打印银行往来账单。1 。可见自动回单机的应用已经引起有关媒体的关 注。 1 2p l d 和e d a 的基本概念 1 2 1 p l d 的基本概念 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ，p l d ) 是一种由未连接的逻 辑阵列所组成，通过编程下载后将这些逻辑阵列连接成具有一定逻辑功能的器 件。它是在大规模集成电路技术发展基础上出现的一种半定制的集成电路，运用 e d a 软件工具可以快速方便地构建具有特定功能的数字硬件系统“1 。 不论是组合逻辑电路还是时序逻辑电路，都是由基本逻辑门( 如与、或、非、 三态门等) 电路来构成。对于任何数字电路来说，与门和或门就可以组合成其逻 辑表达式的函数，其原理图如图卜1 所示”1 。 输 入 输 出 图卜1p l d 器件的原理结构示意图 f i g u r e l 一1 b a s i cs t r u c t u r eo fp l dd e v i c e 当然，由“与门一或门”组合成的p l d 器件功能简单。随着技术的发展和要 求的提高，后来科学工作者又受到r o m 工作原理。1 、地址信号与输出数据问关系 的启发，发展出了采用s r a m 查找表方式的高速的p l d 器件，这就是现场可编程 逻辑阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 吲。 可编程逻辑器件( p l d ，p r o g r a ml o g i cd e v i c e ) 是2 0 世纪7 0 年代逐渐发展 起来的一种新型器件。它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了成本，提高 了系统的可靠性，而且给数字系统的设计方式带来了革命性的变化。p l d 器件从 产生到发展形成现在的f p g a 和c p l d 两大主流器件，主要经历以下几个阶段： 随着集成电路的发展，特别是大规模集成电路出现以后，在2 0 世纪7 0 年代 中期出现的可编程逻辑阵列( p l a ) 是p l d 的雏形。p l a 在结构上由可编程的“与” 和“或”阵列组成，由于集成电路技术的制约，阵列规模小，编程也比较繁琐。 随后出现的可编程阵列逻辑( p a l ) 由可编程的“与”阵列和固定的“或”阵列 组成，其设计比较灵活，易于编程，器件速度快，因而成为第一代得到普遍应用 的p l d 器件。 2 0 世纪8 0 年代初，美国的l a t t i c e 公司发明了通用阵列逻辑( g a l ) 。它 采用输出逻辑宏单元( o u i c ) 的结构和e 2 p r o m 工艺，具有可编程、可擦除和可 长期保持数据的优点，使用灵活，因而得到了广泛的应用。 2 0 世纪8 0 年代中期，p l d 器件进入了一个快速发展时期，不断向大规模、 高速度、低功耗的方向发展。此时期，a l t e r a 公司推出了一种新型可擦除、可 编程的逻辑器件( e p l d ) ，它采用c m o s 和u v e p r o m 工艺制作，集成度更高，设 计也更灵活，但内部连线功能较弱。1 9 8 5 年，美国x i l i n x 公司推出现场可编程 门阵列( f p g a ) ，它是采用单元型结构的新型p l d 器件。在结构上，它内部由许 多独立的可编程逻辑单元构成，各逻辑单元之间可以灵活地相互连接，具有密度 高、速度快、编程灵活和可重新配置等优点。f p g a 已成为当前主流的p l d 器件 之一。 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 是从e p l d 改进而来的，它增加了内部连线， 对逻辑宏单元和i o 单元也有重大有改进，它的性能更好，使用也更方便。尤其 是在l a t t i c e 公司提出了在系统编程( i s p ) 的技术后，相继出现了一系列具备 i s p 功能的c p l d 器件，其中尤以a l t e r a 公司的c p l d 器件最具代表性。c p l d 是 当前另一主流的p l d 器件。 当然，随着微电子技术及设计方法的发展，p l d 技术也会随着时代的发展而 不断向密度更高、速度更快、功耗更低和功能更强的方向发展”7 。 1 2 2e d a 的基本概念 电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，简称e d a ) 是指利用计算 机完成电子系统的设计”1 。设计人员只需要完成对系统功能的描述，就可以由计 算机软件进行处理，得到所需的设计结果，而且设计过程所需作的修改，只要修 改软件中相关部分即可，这样就极大地提高设计效率。e d a 技术在硬件实现上融 合了大规模集成电路技术、i c 版图设计技术、a s i c 测试和封装技术、f p f a c p l d 技术、自动测试技术等，在软件上它融合了计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助 制造( c a m ) 、计算机辅助测试( c a t ) 、计算机辅助工程( c a e ) 等概念”1 。可见，e d a 技术以计算机为工具，代替人完成数字系统的逻辑综合、布局布线和设计仿真等 工作“3 。其主要发展历程如下： 2 0 世纪6 0 年代后期，随着中小规模集成电路的开发应用，传统的手工制图 设计印刷电路板、集成电路及人工进行电路模拟、逻辑模拟已无法满足设计精度 和效率的要求，因此设计人员采用计算机进行辅助设计，这样第一代e d a 工具就 产生了。到了8 0 年代中期，为了适应电子产品在规模和制作上的需要，以计算 机仿真和自动布线为主要特点的第二代e d a 技术就应运而生。其特点是以工具软 件为核心，通过这些完成产品开发的设计、分析、测试、生产等各项工作。进入 9 0 年代以来，电子信息产品的开发明显地出现了两个新特点：一是开发产品的 复杂程度日益加深，另一个是开发产品的上市时限日益紧迫。所谓产品开发的复 杂性是指设计者往往要设计出在更小的面积上集成更多的功能、达到更高的性能 和更高技术含量的电子系统。所谓产品开发的时限性是指在产品市场寿命期限 内，应让产品尽早上市。电子系统的复杂性增强，产品设计师迫切需要更高级、 更快速高效的电子设计自动化e d a 工具，由此也就产生了以高级硬件描述语言、 系统级仿真、综合技术和功能验证为主要特征的第三代e d a 技术。它的出现，一 方面使设计师摆脱了大量的辅助设计工作，而把精力集中于创造性方案与概念构 思上，从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制时间；另一方面使公司反 复制作样品进行功能、性能测试，而把力量集中于产品仿真与功能验证上，从而 极大地缩短了研发时间，加快了产品的上市速度。 我们这里开发f p g a 所用到的e d a 工具软件主要是指采用第三代e d a 技术的 软件，即以计算机为工具，在e d a 软件平台上，根据硬件描述语言( h d l ) 完成设 计文件，自动完成逻辑编译、化简、综合与优化、布局布线、仿真，直到对特定 目标芯片( f p g a c p l d ) 的适配编译、逻辑映射和器件编程等工作。有了第三代e d a 技术，设计者的工作主要在于利用软件的方式来完成对系统硬件的功能描述，选 择合适的f p g a c p l d 器件，就可以得到最后的设计结果。尽管设计的目标系统是 硬件，但整个设计和修改过程如同软件设计过程一样的方便和高效。因此，现代 e d a 技术真正实现了硬件“软”化和软硬件的协同设计。 现代e d a 技术的基本特征是采用高级硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，h d l ) ，具有系统级仿真和综合能力。它是硬件设计人员和电子设计自 动化( e d a ) 工具之间的界面，用于数字电路、电子整机系统的行为描述、电路模 拟和自动设计。硬件描述语言在电子系统硬件设计中的作用与编程语言在软件领 域的作用是一样的。 随着电子系统向集成化、大规模、高速度的方向发展，使电子设计会愈来愈 复杂。通常对门级电路采用的逻辑图、布尔方程等描述方法，由于其过于复杂、 难以管理，已经变得难以使用。在复杂的大规模数字系统的设计中，h d l 将逐步 代替逻辑电路图这种烦琐的硬件描述方法。它主要采用并行工程和“自项向下” 的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到包括质量、成本、开发时间及用户的 需求等诸多因素的影响。然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和 结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行 为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级 逻辑电路的网表，其对应的物理实现可以是印刷电路板或专用集成电路。近几年 来，硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化、不同设计风格和应用的要求导 致各具特色的e d a 工具被集成在同一个工作站上，从而使e d a 框架日趋标准化。 1 3 p l d 及e d a 技术的研究现状及趋势 1 3 1 p l d 及e d a 技术的研究现状 随着超大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、 航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表、图像处理等领域的电子系统 设计工作中，e d a 技术的含量正以惊人的速度上升；电子类的高新技术项目的开 发也越来越依赖于e d a 技术的应用。即使是普通的电子产品的开发，e d a 技术常 常使一些原来的技术得以轻松突破，从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格 比大幅提高。 利用e d a 技术，采用高级硬件描述语言进行系统设计，既提高了设计工作的 效率，又提高了设计系统和成功率。目前，e d a 技术在发达国家已成为电子工程 师必备的技术。对比国外，我国的e d a 技术起步较晚，但目前，国内已有不少的 科研院所逐步建立起了自己的e d a 研发中心，f p g a 的开发应用也日益普及。近 年来，国内的许多重点工程项目的系统设计也都逐步采用基于e d a 技术实现，如 大唐公司和西门子等合作生产t d - s c d m a 芯片，清华大学的嵌入式c p u 和全国即 将使用的电子身份证i c ，中国自主研发的星光系列、方舟系列、汉芯系列、神 威系列、万通1 号、青鸟嵌入式芯片、北大众志一六八三c p u 系统芯片等嵌入式 c p u 和龙芯系列通用c p u 都广泛使用了e d a 技术。3 ，此外还有国内许多公司设计 的各种i c 都广泛采用了e d a 技术。尽管e d a 技术在国防、通信等领域已得到了 广泛的应用，但在自动控制领域的应用还几乎为零。根据文献报道，目前只有西 北工业大学的阎金栋、卢健康采用c p l d 实现了数控机床的插补运算部分“，天 津大学的李勇棉、丁朋林、王国秀等人设计了步进电机的驱动器“，在通信产品 的设计中华为、中兴大量采用f p g a 芯片且成立了a s i c 设计中心，珠海矩力、科 广等采用f p g a 作为i c 的设计验证器件，山西矿业学院的韩成石、董长双采用 p l d 器件实现了步进电机的环形分配“，郑州纺织工学院的丁淑敏、刘武 发采用g a l 器件实现对步进电机的控制“，其它还有华中科技大学也 采用p l d 器件实现对电机的环形分配器和控制卡“们“，台湾昆山科技 大学的林明权等人采用了x i l i n x 的x c s 0 5 4 一p c 8 4 设计了步迸电机定位控制系统 和直流电机速度控制系统等“。 1 3 2 p l d 技术的发展趋势 可编程逻辑器件( p l d ) 作为一种2 0 世纪7 0 年代才发展起来的新技术产品， 尽管其发展历程很短，但由于其具有静态可重复编程、动态在系统重构和设计方 便的特点，到目前已得到了广泛的应用。但由于技术发展和用户需求的提高，也 要求p l d 无论在结构、工艺、集成度方面，还是在功能、速度和灵活性方面都要 有较大的提高和改进。其主要发展趋势体现在以下几个方面： 1 向高密度、大规模的方向发展。这是由于现有电子系统很难实现所有功 能集成于一块芯片，再就是片上系统( s y s t e m - - o n - - c h i p ) 概念的提出，必然要 求p l d 器件向此方向发展。 2 向低电压、低功耗的方向发展。这是集成电路技术发展以及节能潮流兴 起的必然要求。 3 向高速可预测延时器件的方向发展。现有的f p g a 虽然有可灵活编程的特 点，但同时数字系统设计时经常使用多个时钟信号，而编程实现后器件延时不能 预测，这就要求发展高速可预测延时的p l d 器件。 4 向混合编程的方向发展。现有的p l d 器件只能实现数字系统的编程，还 不能实现模拟电路的编程实现，模拟电路编程以及数模混合电路的可编程实现将 得到发展。美国的l a t t i c e 公司于1 9 9 9 年底就推出了一种基于在系统编程技术 的简单的可编程模拟电路“”。 1 3 3 e d a 技术的发展趋势 随着专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s 。a s i c ) 技术的发展，面向用户、设计周期短、体积小功耗低的特点体现得越来越突出。 用户的特定应用不但具有特殊性，同时又具有一定的共性。产品上市时间的日益 缩短和系统功能的不断增强对e d a 技术构成了双重压力，芯片开发商正在转向寻 求一种新型的设计重用方法。电子系统设计人员将i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 模块看作是提高系统设计效率的重要途径。所谓i p 模块就是由第三方开发的具 有特定功能和知识产权的模块，利用这种模块输入法可以大大缩短开发周期“。 它又分为软核、硬核两种，软核是指具有一定硬件功能、用硬件描述语言编写的 一段程序；硬核是能与某种半导体工艺相吻合的、经过物理映射和逻辑综合的门 级逻辑电路的网表程序。目前，i p 模块的设计重用方法正在世界范围内兴起， i p 市场也在不断扩大，模块丰富多彩，市场上已经成立了许多专业的e d a 公司， 专门从事p c i 接口、数字滤波器、语音识别、图像压缩等i p 模块的研发与销售 业务，知识产权交易和设计复用正在逐步成为未来e d a 技术发展的主流“。 总之，e d a 技术的出现，给电子系统设计带来了革命性的变化。随着i n t e l 公司p e n t i u m 处理器的推出，a l t e r a 、x i l i n x 等公司几百万门规模的f p g a 、c p l d 的上市，以及高速、高密度印刷电路板的应用，e b a 技术在仿真、时序分析、集 成电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的巨 大的挑战。这些问题实际上也是新一代e d a 技术未来发展的趋势。目前，以高层 系统设计为主导，以性能优化为目标，融合逻辑综合、性能仿真、形式验证和可 测试性设计，具有纳米工艺的物理级设计和整体规划设计能力的e d a 工具正在逐 步成熟。 1 4 本论文研究的意义 我国是世界上机电产品生产的大国，每年向世界出口了大量的机电产品。据 不完全统计，中国现有约1 0 0 0 家生产企业，每年大约可生产3 0 亿台微特电机。 其中每年我国出口2 0 亿微特电机，大部分是低于1 美元的低价电机，对于高尖 新的电机及成套设备则几乎不能出口。而我国进口的许多成套机械设备中的电机 竟然是我国生产的。同时据专家预测，微特电机会向机电一体化、智能化方向发 展，这必然要求控制电机的电子技术水平也应该相应提高“。因此我们应该加强 控制电机的电子器件等相关领域的研究并取得突破，这对于提高我国人才技术储 备和经济实力，具有重大的意义。 此外，随着现代科学技术，特别是电子计算机及微电子技术的发展，人类已 经进入了数字时代，像数码相机、便携式v c d 与d v d 、微型硬盘等机电产品要求 体积小、功耗低、功能多，采用传统的“积木式”数字系统设计方法决不能满足 设计的要求。微机电系统( m e m s ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 就是体现 这一发展变化的趋势。m e m s 是过去指用传感器捕捉信息，然后用电子设计进行 处理，然后输出控制运动器件运动的系统【2 。随着集成电路技术及相关技术的发 展，使得m e m s 从纯粹的机械装置转变成基于半导体的传感器，而且正在向专用 集成传感器( a s i s ) 发展，使得整个芯片完成数据采集与相关的处理，控制采用物 理效应或驱动的器件o “。这说明控制电机的电路已经向小型化、专用化的方向发 展。索尼的爱宝机器狗具有高度的自动化、对环境敏感，而体形小巧，使用多种 m e m s 和a s i c 技术来实现的。而p l d 技术作为a s i c 技术的一种，可以根据设计 者的需要定制成所需功能的专用芯片，没有多余的功能单元而能做到小巧高性 能，故p l d 技术和a s i c 正越来越受到广泛的关注与应用。 p l d 是由用户编程来实现专用功能的逻辑器件，具有结构灵活、集成度高、 可靠性好，运行速度快等特点，开发成本小、周期短、风险小等优点，成为新产 品开发及芯片样片设计的理想实现器件。现在，p l d 技术已广泛应用于多个领域 中，并已成为产品设计是否先进的重要标志之一。机电一体化系统的发展趋势以 及微型电机本身发展的要求，我们有必要在各种机电系统中广泛应用p l d 技术。 1 5 本论文的主要研究目标与内容 1 5 1 研究目标 本课题主要研究目标如下： 1 研究与分析用v h d l 语言描述数字电路系统中硬件逻辑设计及实现软件编 程硬件化的方法： 2 研究与分析有效地运用e d a 技术和f p g a c p l d 器件实现专用应用功能的 a s i c 芯片级电路的设计方法； 3 采用自行设计制作的电路板与其它部件构成回单机控制系统。 4 在w i n d o w s 平台下使用v i s u a lc + + 6 0 设计构建回单机控制后台参数控制 程序。 1 5 2 研究内容 本论文共分四章： 第一章主要介绍银行多功能回单机的研制现状、功能以及应用情况等，e d a 技术的发展历程以及应用现状及趋势，最后介绍运用e d a 技术在f p g a 下实现回 单机控制系统的研究。 第二章简要介绍传统的数字电路系统的特点，和主要介绍v h d l 语言的特 点以及f p g a 器件，以及相关回单机控制系统研究情况，最后提出了使用f p g a 器 件来实现回单机控制系统的设计方案。 第三章详细介绍f p g a 控制电路的设计和运用v h d l 硬件描述语言设计回单 机控制器控制逻辑关系的方法以及过程。 第四章主要介绍了后台参数设置软件编程实现以及整个系统硬件电路的 组成，最后简要地介绍了整个系统的调试步骤、注意事项和调试结果及分析。 1 0 第二章系统方案设计 本章首先简要介绍了传统的数字系统硬件设计方法，然后较详细地介绍了基 于现代e d a 技术的数字系统硬件设计方法。最后，在对多种回单机控制系统多种 设计方案进行比较的基础上，针对银行业对多功能回单机性能的要求，确定了本 论文的设计方案。 2 1 传统的数字系统硬件设计方法 在计算机辅助设计电子系统出现以前，特别是以硬件描述语言( h d l ) 为代表 的第三代e d a 技术出现以前，人们一直采用传统的硬件电路设计方法来设计系统 的硬件。其主要有以下几个特点： l 、搭“积木式”设计方法。传统的数字系统设计只能采用现有的集成度较 低的固定功能标准集成电路，再加上必要的外围电路构成功能模块形成各种功能 电路。设计时用户根据其需要，选择市场上能买到的最适合的基本元器件，并按 照器件生产厂推荐的电路来设计所要求的系统。这样就几乎没有灵活性可言，设 计一个系统所需的芯片种类多，且数目大，布线复杂且不易实现功能更新和系统 重构，不便于使同样功能的模块多次应用于类似的设计中“。 2 、设计验证只能在设计后期实现。在传统的数字系统设计中，由于e d a 工 具的仿真和测试功能有限，进行仿真和测试一般为系统仿真器、逻辑分析仪和示 波器等实际硬件工具，这些工具只能在实际硬件系统设计完成以后才能使用，这 使得功能验证只能在设计后期才能进行。系统设计过程中存在的问题只能在后期 才能比较容易的发现。一旦系统设计考虑不周，存在较大的缺陷，那么就只能重 新设计系统，使得设计周期大大增加，加大了系统设计的成本“。 3 、修改设计不易且工作量大。在传统的数字系统设计中，设计后所生成的 设计文件主要是由若干张电路原理图和p c b 图，它们详细标注了各逻辑元器件之 间的信号连接关系。一旦系统设计出现错误，需要修改设计，就会需要大量的时 间来重新绘制这些图。同时，这些电路图都是用户使用和维护的依据。如此多的 电路原理图给阅读、修改和使用带来了极大的不便。“。 由此可见，传统的数字系统设计方法一般只能采用自下而上的设计方法，即 先由基本单元构成基本单元库，再在设计时调用这些基本单元，逐级向上组合， 直到达到设计出满足需求的系统为止。这样的设计方法往往使设计者关注细节， 对整个系统进行规划。当设计出现问题时修改设计不易，甚至前功尽弃，从头再 来。这就要求有一种新的能适应当前设计要求的技术和方法出现，以克服传统设 计方法的弊端，达到提高设计效率、减少设计成本的目的。正是但随着计算机技 术、大规模集成电路技术的发展，这种传统的设计方法已经大大落后于当今技术 的发展，这样一种崭新的、基于现代e d a 技术的设计方法正在兴起，这使得数字 系统设计出现了一次前所未有的重大变革。 2 2 基于e d a 技术的数字系统硬件设计方法 我们知道计算机诞生以来，数字系统的设计主要分为硬件电路设计和软件设 计两大部分。因此系统设计人员主要分成硬件工程师和软件工程师，它们之间很 少从事彼此的工作。由于v h d l 硬件描述语言和p l d 的出现，它们可以从事彼此 的工作。数字系统的硬件设计和软件设计可以通过v h d l 语言用软件编程的方法 进行描述和仿真，并借助于e d a 工具软件来生成符合要求的数字系统，而不必再 进行软件设计了。 2 2 1 v h d l 硬件描述语言 1 v h d l 语言的产生和发展 v h d l 的英文全称是v e r yh i g hs p e e di ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( 超 高速集成电路硬件描述语言) ，由美国国防部于1 9 8 3 年发起创建，最后由i e e e 进一步发展并于1 9 8 7 年形成了名为“i e e e 一1 0 7 6 ”标准而予发布。由此，v h d l 成为一种数字硬件系统设计和描述的标准语言。后经过多次修改，增强了v h d l 的抽象层次和系统描述能力。i e e e 在1 9 9 3 年公布了名为“i e e e s t d l 0 7 6 1 9 9 3 ” 的新标准版本的v h d l 。现在，v h d l 已成为一个数字电路和系统的描述、建模、 综合的工业标准，是现代电子工程师的必备知识。“。 v h d l 作为一种标准规范的语言，它具有很强的电路描述和建模能力，能多 层次地对数字系统进行建模和描述，从而大大地简化了硬件设计任务，提高了设 计效率和可靠性。但v h d l 只有电路行为描述或功能描述能力，无法对复杂的系 统级的抽象描述。人们正投入v h d l 语言在系统级描述方面的研究，在不久的将 来，i e e e 必将就v h d l 形成新的标准和规范，以支持v h d l 能进行系统级设计和 描述的需要“。 2 v h d l 程序基本结构 一个完整的v h d l 程序通常包含实体( e n t i t y ) 、结构体( a r c h i t e c t u r e ) 、配 置( c o n f i g u r a ti o n ) 、包( p a c k a g e ) 和库( l i b r a r y ) 五个部分。“。前4 种是可编译 的源设计单元。实体是一个v h d l 程序的基本单元，用于描述所设计的系统的外 部接口信号。结构体用于描述系统内部的结构和行为、系统数据的流程或者系统 组织结构形式。包集合存放各设计模块都能共享的数据类型、常数和子程序等。 配置用于从库中选取所需单元来组成系统设计的不同规格的不同版本，使被设计 系统的功能发生变化。库存放已经编译的实体、结构体、包集合和配置；库可以 是用户生成的i p 库，也可以是a s i c 芯片制造商提供的库，库可以重复使用，便 于在设计中共享。 v h d l 程序的基本单元是设计实体( d e s i g ne n t i t y ) ，通常由实体说明和结构 体两部分组成( 如图2 - 1 所示) “。实体说明包括类属说明和端口说明，其中类 属说明用来设定总线宽度、常用常量、实体的定时特性等参数：端口说明用来描 述 0 图2 1v h d l 程序基本结构示意图 图2 2 黑匣子示意图 f i g u r e 2 1b a s i cf r a m eo fv h d lp r o g r a m f i g u r e 2 2b l a c kb o x 整个系统或模块的输入输出接口相、端口传送的数据类型，其功能对应于电路 图版符号中的芯片引脚。单个实体说明相当于一个只知外部端口而不知内部功能 的黑匣子( 如图2 2 所示) 。 结构体具体指明了整个系统或模块的行为、功能和内部信号的连接关系。为 了能够全面准确地描述硬件系统的各种行为，v h d l 提供了四种描述结构体的方 法： ( 1 ) 行为描述( b e h a v i o r a ld e s c r i p t i o n ) ：主要描述基本设计单元的数字模 型，即该硬件能做什么。行为描述多采用进程语句，多为并行行为描述( 语句在 同一时钟周期内同时执行) ，单一进程下为顺序行为描述( 语句按编写的顺序执行) 【2 3 ( 2 ) 数据流描述( d a t a f l o wd e s c r i p t i o n ) ：采用进程语句顺序描述数据流在 控制信号作用下被加工、处理、存储的过程。“。 ( 3 ) 结构描述( s t r u c t u r a ld e s c r i p t i o n ) ：采用并行处理语句描述设计实体 内的结构组织和元件互连关系。结构描述通常用于大型系统的层次化设计，类似 于画电路原理图时的连线“。 ( 4 ) 混合描述：采用以上三种方式的任意组合。”。 结构体四种描述方式特点各不相同，设计程序综合出来的性能相差也较大， 这要求我们应该在设计时仔细考虑总体的设计构思，再采用适当的描述方式，这 样才能合理安排各信号间的配合，有效地提高设计的性能和成本，缩短完成设计 的时间。如果采用合理恰当的描述方式不能满足性能成本要求，则只能考虑在综 合工具综合设计程序时加入约束条件，或在布局布线时加入适当的约束，如考虑 面积优先还是速度优先、局部区域约束等，还有就是使用设计工具的手动布局布 线功能，以影响其综合和布局布线过程，从而达到优化设计目标的目的。但条件 允许的条件下，最好的办法是采用器件厂商的专用库文件和第三方的i p 核来优 化设计中的关键部分，这样可以大大地优化设计、提高设计的性能和减少成本， 因为厂商的专用库文件和第三方的i p 核都已经针对具体对应的器件结构作了大 量的优化。 3 采用v h d l 进行设计的优点 v h d l 是一种全方位的硬件描述语言，可以用简洁明确的代码描述复杂控制 逻辑的设计，它包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级等多层次的设计描述 功能，可提供多种描述结构体来方便灵活地描述所设计的目标，支持设计库和可 重复使用的器件生成。因此v h d l 几乎覆盖了以往各种语句描述语言的功能，整 个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用v h d l 来完成。概括来讲，其主 要优点体现在以下几个方面： 1 v h d l 标准、规范。它已成为i e e e 标准，具有公开可利用性，便于设计结 1 4 果的交流、共享和重用。 2 v h d l 具有强大的行为描述能力和逻辑抽象能力。这使得它能避开具体的 器件结构和设计工艺，设计者在不懂硬件结构及设计目标器件时就可以独立设 计，这是从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证o “。 3 v h d l 具有极佳的层次结构性。它能把一个数字系统分成一组模块来描述， 每个模块被设计成一个设计实体，都有与其他模块的接口和关于模块结构与功能 的描述。这种分开描述方式有助于层次化的设计方法、大规模逻辑功能的描述以 及复用已设计的库、包和i p 核的能力”1 。 4 v h d l 丰富的仿真语句和库函数，使得设计早期就能查验设计