（机械制造及其自动化专业论文）cpldfpga在交流电机调速中的应用研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 c p l d f p g a 在交流电机调速中的应用研究 机械制造及其自动化 研究生柏海平指黜陈守强 随着经济的高速发展，能源问题越来越受到世界各国的重视，对能源的有 效利用在全世界已非常迫切，特别是与人们的同常生活密切相关的电能。电动 机作为用电量最多的设备，其节能已受到世界各国的普遍关注。电几节能的方 式有很多种，变频调速控制是目前应用最为广泛的种电机节能方式。本文介 绍了交流电动机变频调速技术，着重阐述了正弦波脉宽调制、电压空间矢量调 制方式。 目前，电机控制芯片主要有两种选择：种是全定制专用集成芯片( a s i c ) ， 种是单片机( m a ，) 或数字信号处理器( d s p ) 。本文利用c p l d 控制交流 异步电机。c p l d 的数字资源丰富、工作频率高、可在系统编程等特点使得开 发灵活、开发周期相对短。设计复杂c p l d f p g a 的硬件描述语言最主要的是 v h d l 和v e r i l o g h d l , 本文分别对其进行了阐述并比较其各自的优缺点。v h d l 语言作为一种新型的硬件描述语言，主要用于数字电路与系统的描述、模拟和 自动设计，是当今电子设计自动化( e d a ) 的杨技术。v h d l 语言在数字系统 设计中具有硬件描述能力强，设计方法灵活等优点，从而大大刚氐了数字系统 设计的难度，提高了工作效率。 本次课题使用s v p w m 技术设计交流调速控制系统，选用a l t e r a 的 e p m 7 1 2 8c p l d 芯片，选择v h d l 语言对交流控制系统进行编程，使用软件 m a x + p l u si i 对程序进行编译仿真。其中包括系统主电源的设计及元件参数确 西华大学硕士学位论文 定、c p l d 数字系统工作原理以及c p l d 控制交流电机转速的实现。同时，设 计了系统外围控制电路：启动停止控制、转速的改变方式以及转向控制。 关键词：c p l d f p g a ，硬件描述语言，交流调速，变频调速，交流异步电机 l i 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f a cm o t o r ss p e e dr e g u l a t i o n b a s e do nc p l d 压； p g a f o l l o w i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，m o r ea n dm o r ei m p o r t a n c ei s a t t a c h e dt ot h ee n e r g ys o u l v , e sp r o b l e mb yc o t m t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d t a k i n gh i g h e f f e c t i v ea d v a n t a g ef o re n e r g ys o u l c e si sb e c o m i n gm o r ee x i g e n t , e s p e c i a l l yt h ep o w e r s o u r c ew h i c hh a sac l o s er e l a t i o m h i pt oo l i l r o u t i n el i f e a st h em o s tc ：( ) n s u m e ro f p o w e rs o u l v , e , m o t o r se n e r g ys a v i n gi sp a i dm o r ea t t e n t i o n gt o t h e r ea r em a n y k i n d s o fm a n n e r st op e r f o r me n e l - g ys a v i n gf o rm o t o r , v a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t i n gs p e e d c o n t o li st h ew i d e s ta p p l i e dm e t h o da tp r e s e n ti nt h i sf i e l d t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t e c h n i q u e so fv a r i a b l e - f r e q u e n c ya cd r i v e r s ，s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) a n ds v p w m ( s p a c ev e c t o rp w m ) a r ei n a x x i u c e di n d e t a i l a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h e r ea r et w oc h o i c e sf o rm o t o rc o n t r o li c ：o n ei s m c u ( m i c r o - c h i pu n i t ) ；t h eo t h e r i sd s p ( d i 鲋s i g n a lp r o s e s s o r ) a sa n a l t e m a t i v ef o rt h e s et w oc o m m o nm e t h o d s ，c p l dh a v ea d w a n t a g e so ft h eh i g h f r e q u e n c y , l a r g es c a l ea n dt h ef i - e t u r eo f l s p ( i n 町咖p m 粤孤m 1 1 i i 培) ，w h i c h m a k ei t e a s i e ra n d f a s t e rt od e s i g nc o n u , o ls y s t e m s a tp r e s e n t , v h d la n dv e r i l o gh d la r e m a i nh a g d w a g ed e s c r i p t i o nl a n g u a g et od e s i g nc o m p l e xc p l d f p g a t h i sp a p e r d e s c n b e st h e ms e p a r a t e l ya n dc o m p a r e st h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i i i 西华大学硕士学位论文 v h d l ，a san e wt y p eo f h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，i su s e dt od e s c r i b e , s i m u l a t e a n da u t o m a t i c a l l yd e s i g ed i g i t a ls y s t e m n o w a d a y s ，i tb e c o m e sa k e yt e c h n o l o g yi n e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ( e d a ) v h d li ss m m gi nh a f d w a r ed e s c r i p t i o na n d f l e x i b l ei nd e s i g nm e t h o d i tc o u l dr e d u c et h ed e s i g nd i t f i e u l t yo fd i a g i ：c a ls y s t e ma n d i l i l p r o v ee f f i c i e n c y t h i st o p i cu s e st h es v p w mt e c h n i c a lt od e s i g na cs p e e dr e g u l a t i o nc o n t r o l s y s t e m ，s l e c t se p m 7 1 2 8c p l dc h i po f a t e r ac o m p a n y a p p l i e sc p l d t od e s i g na c s p e e dr e g u l a t i o nc o n 臼o ls y s t e ma n du s e s s o f t w a r em a x + p l u si it oc a r r y0 1 1t h e w a n s l a t i o n p r o g r a m t o t h e s i m u l a t i o n i t i n c l u d e s t h e d c s i g n o f s y s t e m m a i n p o w e r a n d t h ed g t e m l i l l a t i o no fc l c r n c n tp a r a m e t e r , t h ep r i n c i p l eo fc p l dd i 酬s y s t e m s ，t h e a c h i e v e m e n to f a cm o t o rr o t a t i o n a ls p e e di r a s e dc p l d i na d d i t i o n , h a sd e s i g n e dt h e s y s t e mp e r i p h e r yc o n t r o lc i r c u i tw h i c hi n c l u d e ss t a r t s t o pc o n t r o la n ds p e e dr e g u l a t i o n s h i rw a y sa n ds t e e rc o n l r 0 1 k e yw o r d s ：c 聊d 即g a ，h ；疵i 、) i ，a r ed e s 呻6 ml a n g u a g e ，a c 圃p e e dr e g u l 颉。玛 v a r i a b l ef i e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n , a ca s y n c h r o n o u sm o t o r i v 西华火学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本 在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作糍：糊辟争噼钼2 泪 导师签名：懈野髭稗歹月莎旧 7 5 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 在很多生产机械的工作中，由于生产工艺过程的需要，对电气传动系统提 出调节电动机转速的要求，以便获得更好的工艺质量和生产效率。对于不同的 生产机械有着不同的调速要求。在生产机械中通常采用的调速方法可分为三类， 即机械调速、电气调速以及机械与电气结合的调速方法。机械调速属于有极调 速，这种调速方法简单、工作可靠、便于维护。但它不能满足各种速度的需要， 不能获得最高的生产效率，所以通常适用于调速要求不高的生产机械。电气调 速属于无极调速，它是通过相应的电气设备来实现连续调速，这种调速方法控 制灵活方便，调速范围较宽，容易满足生产工艺的需要，但有时调速设备较复 杂。将机械与电气结合的调速的方法能使调速范围更宽，更能充分发挥它们各 自的长处，提高传动效率，且经济实用。 传统的交流蝴速一般均是采用转换器、逆变器、控制器三部分组合在 一起实现对交流电机的转速进行控制。其中控制器的核心部分一般为s p w m ， 也可以用d s p 技术来完成控制器部分。现在使用c p l d f p g a 技术对交流电机 进行调速控制要比传统的方法更可靠稳定，更方便快捷，而且具有一定的保密 性。 大规杉扣丁编程逻辑控带0 1 牛c p l d 和f p g a 是当今应用最广泛的两类可编程 专用集成电路( a s i c ) ，利用它们设计所需的专用电路，从而可以大大的缩短 产品的上市时间，刚氐开发成本。此外可编程逻辑器件还具有静态可重复编程 和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件样通过编程来修改， 这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。 1 2 国内外现状及发展趋势 2 0 世纪6 0 年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得到迅速发展。19 7 1 年出现了交流电动机矢量控制原理，使交流传动技术从理论上解决了获得与直 流转动相似的静、动态特性问题。矢量控制技术是一种模拟直流电机的控制。 当全控型大功率快速电力电子器件和微栅空制出现之后，可以用软件来实现矢 量控制的算法，使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了控制系统的可靠 西华大学硕士学位论文 性。继矢量控制技术发明之后，又相继出现了直接转矩控制、标量解耦控制等 方法，均能达到良好的动态性能。 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响着交流 调速的发展，即交流调速的发展是以电力电子器件的发展为基础的。 2 0 世纪7 0 年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控 制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范 围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能， 在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有 绝对优势，并目它的调速i 生能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频 调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。 随着电力电子技术的发展变频调速装置的应用越来越广泛，在电站机组起 动与运行、压缩机及轧机传动等方面都有较大的需求，因此提高变频调速系统 的整体性能势在必行。传统的变频器模拟控制技术限制了变频器性能的改善， 而数字控制方式在精度、可靠性、稳定性、灵活性、存储能力和逻辑运算能力 上都具有模拟控制无法比挖l 的优点。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控 制等新的控制理论为高性能的变频系统提供了理论基础，1 6 位微处理器、3 2 位微处理器、数字信号处理器( d s p ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 以及可 关断晶闸管( g 1 r o ) 、绝缘栅双极型晶体管( i i g b t ) 等功率器件技术的快速发 展，为实现变频调速系统性能的提高提供了硬件手段。 现在的交流电机的控制一般均由微控制器( m c u 和d s p ) 或专用控制芯 片( a s i c ) 承担。由于微控制器能够实现多种功能，改变控制策略时只需修改 软件程序即可，因而，在通用变频器领域，几乎全部采用微控制器作为控制中 心，应用非常广泛。但由于变频调速电源有其固有的结构特点和要求，因此， 般的通用微控制器难以很好地实现复杂的电机控制策略，无法在控制精度比 较高的场合中应用。正因为如此，近些年来，国外众多的微控制器生产厂家推 出了多种专门应用于电机控制的微控制器芯片，这些微控制器与通用的微控制 器相比，在外围嵌入了些电机拄制的专用电路，节省了c p u 的内务操作时间。 长期以来电机调速专用的控制芯片层出不穷，极大地推动了交流电机控制的发 展。早期的电机调速用的a s i c 主要与其他控制芯片配合实现交流电机所需的 2 西华大学硕士学位论文 控制，随着微电子技术的发展，将整个交流电机系统的控制集成与一个a s i c 中己成为可能，为了交流电机系统的集威：化，也需要将交流电机系绩控制集成 到一个a s i c 中。 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大 电能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性 技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题 和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策 略和智能控哺0 策略的硬、软件开发问题( 在目前状况下主要是全数字控制技术) 。 交流调速主要发展方向有如下几项： ( 1 ) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、 磁场控制、直接传矩控制和机械扣振补偿等； ( 2 ) 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数 为l ，网侧和负载顺0 有尽可能低的谐啵分量，以减少对电网的公害和电动机的 转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的p w m 控制是有效的。对大容 量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能 的变换。 ( 3 ) 缩小装置的尺寸。紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度， 其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采 用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的 改变( 如水冷、蒸发冷却和热管) 对缩小装置的尺寸也很有效。 c p l d f p g a 器件的发展体现在：一是现在新型的f p g a 采用的是6 层金 属层、0 2 2 1 t m 、o 1 8 l t m 、0 1 3 m 的c m o s 工艺，很快会达到0 0 9 t i n ；二 是高密度，超过4 0 0 万门的f p g a 器件已经面世；三是在系统上c p u 正向低 电压发展，目前器件普遍采用2 5 v 、3 3 v 和5 v 的电压兼容，下一步目标是1 8 v ； 四是高速度，系统的在线速度可以超过2 0 0 m h z 。总之，c 吼d 佛) g a 器件正 朝着更高速、更高集成度、更强功能和更灵活的方向发展。设计语言上，从e d a 技术的发展趋势来看，直接采用c 语言设计c p l d f p g a 将是个发展方向， 现在已经出现用于c p l d f p g a 设计的c 语言编译软件。在5 - 1 0 年之内，c 语言很可能将逐渐成为继v h d l 和v e r i l o g 之后设计大规模c p l d f p g a 的又 3 西华大学硕十学位论文 种手段。 1 3 主要研究内容、途径及技术路线 ( 1 ) 设计确定交流电机调速方案； ( 2 ) 制定出调速系统的总体结构，完成整体的原理图以及各种模块的原理 图； ( 3 ) 开发设计基于c p l d f p g a 的交流调速驱动器； ( 4 ) 开发调速软件，使用m a x + p l u si i 软件，采用v h d l 语言对调速方 案进行编程； ( 5 ) 对方案进行程序仿真，调试出较好的交流电机调速效果； ( 6 ) 使用进行实验研究，解决调速控制的精确性、实时性、宜人性，最后 制作出简易调速控制装置。 4 西华大学硕士学位论文 2c p 】姗g a 栩述 2 1c p i d 灯叩g a 基础知识 c p l d 是复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g 沁d e v i c e ) 的简 称，f p g a 是现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m b l eg a t e a n a y ) 的简称，两者 的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以有时可以忽略这两者的区别， 统称为可编程逻辑器件：或c p l d f p g a 。 c p l d 最早由a l t e m 公司推出( 即m a x 系y u ) ，多为f l a s h 、e 2 p r o m 架 构或乘积项( p r o d u c tt e r m ) 架构的p l d 。f p g a 最早由x i l i n x 公司推出，多为 s r a m 架构或查表( l o o ku pt a b l e ) 架构，需外接配置用的e p r o m 下载。由 于a l t e r a 的f ie a c d 删巳x 也是s r a m 架构，所以通常把a l t e r a 的 f e ix a c i a p e x 系列芯片也叫做f p g a 。 c p i 工棚a 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外， 还具有以下门个特点： 1 ) 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高， 单芯片内部可以容纳上百万个晶体管，c p l d f p g a 芯片的规模也越殊j 然大， 其单片逻辑门阵数己达到上百万门，它所能实现的功能越来越强，同时也可以 实现系统集成。 2 ) c p id i 甲g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员 承担投片风险和费用，设计人员只需要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c p l d f p g a 的资金投入少。 3 ) 用户可以反复地编程、擦除，或者在外围电路不动的情况下用不同的软 件实现不同的功能，c p l d f p g a 软件包中有各种输入工具和仿真工具以及版 图设计工具和编程器的全线产品，在很短时间内就可以完成电路的输入、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c p l d f p g a 的优势。 4 ) c 吼d g p g a 工作方式与单片机相比，单片机的指令有固定的执行方式， 至少需要4 个时钟周期且时钟频率较低，而c p l d f p g a 的运算方式会根据实 现该运算的硬件电路方式的不同而不同，所以其运算速度会远高于单片机。 通信是c p l d f p g a 的传统领域。随着技术的进步，芯片面积缩小，价格 西华大学硕士学位论文 迅速下降，市场发展加快，同时由于c p l d f p g a 灵活方便，不仅性能、速度、 连接具有优势，而且可以缩短上市时间，因此应用领域不断扩展。现在，许多 用户都开始在些批量生产的消费类电子产品上采用c p l d 和f p g a ，如d ) 、 t v 、游戏设备、空调、数字视频移动网络、无限局域网等等。 在具体应用上，c p l d f p g a 的逻辑功能有：控制接口、总线接口、格式 变换腔制、通道接口、协议控制接口、信号处理接口、成像控制数字处理、 加密) 辞密、错误探测力阳关等。 随着c p l d f p g a 设计越来越复杂，使用语言设计复杂c p l d f p g a 成为 一种趋势，目前主要的硬件描述语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。v h d l 发展较 早，语法严格，而v e r i l o gh d l 是在c 语言的基础上发展起来的种硬件描述 语言，谳自由。v h d l 和v e r i l o gh d l 相比，v h d l 比v e r i l o gh d l 难一 些。 设计语言上，从e d a 技术发展趋势上看，直接采用c 语言设计c p l d f p g a 将是个发展方向，现在已经出瑚用于c p l d f p g a 设计的c 语言编译软件， 在5 - 1 0 年之内，c 语言很可能将逐渐成为继v h d l 和v e r i l o gh d l 之后设计 大规模c p l d f p g a 的又一种手段。 2 2c p l d 的基本结构 早期的c p l d 主要用来代替p a l 器件，所以其结构与p a l 、g a l 基本相 同，采用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。再此基础匕增加了个全局 共享的可编程与阵列，把多个宏单元连接起来。另外，i o 控制模板的数量和 功能都有了进步的提高。 目前主要的半导体器件公司，如x i l i n x 、a l a t e r a 、l a t t i c e 、a m d 公司等， 虽然在各自的高密度p l d 产品中，都有自己得特点，但总体结构大致是相同的。 大多数e p l d 、c p l d 器件中至少包含了3 种结构：可编程逻辑宏单元、可编 程i o 单元和可编程内部连线。 2 2 1 可编程逻辑宏单元 逻辑宏单元是个可以很好地体现c p l d 优点的结构。在较早的c p l d 中， 6 西华大学硕士学位论文 由结构相同的逻辑阵列组成宏单元模块( 逻辑阵列单元的基本结构如图2 1 所 示) 。输入项由专用输入端和 0 端组成，而来自f o 端口的输入项，可通过 0 结构控制模块的反馈选择，可以是 0 端信号的直接输入，也可以是本单元输 出的内部反馈。所有输入项都经过缓冲器驱动，并输出其原码及补码。在如图 2 1 所示的结构中所有竖线为逻辑单元阵列的输入线，每个单元各有9 条横线， 称为积项线( 或称为乘积项) 。在每条输入线和积项线的交叉处设有一个 e p r o m 单元进行编程，以实现输入项与乘积项的连接关系，这样使得逻辑阵 列中的与阵列是可编程的。其中，8 条积项线用做或门的输入，构成了个具 有8 个积项和的组合逻辑输出；另条积项线( o e 线) 连接本单元的三态输 出缓冲器的控制端，以i o 端做输入、输出或双向输出等作为工作方式。 。1 f 甲殁蕊 壤厂嘞甲臻垆霉i 尊嗲4 二淼 龇：j ! ：! ，泌：；毒三；! 嚣二二j ：。曩蔓| ：一j _ 薯 。鲞| 蘧| i j 藩： | i 一 | i 莲篷鎏如 譬譬攀醛眨夸譬疆警签譬譬誓擘? 冬墅 。反馈 是妻澎- 鑫! 二参，； 蠹鬃羟囊璎；豸 f 培2 - ls 由妯鹏o f l 0 9 沁觚巧u 窳 图2 - 1 逻辑阵列单元结构 可见，早期c p l d 中的逻辑阵列结构与p a l 、g a l 中的结构极为类似， 只是用e p r o m 单元取代了p a l 中的溶丝和g a l 中的e 2 p r o m 单元。在这种 基本结构中，每个或门都有固定乘积项( 8 个) ，也就是说，逻辑阵列单元中的 或阵列是固定的、不可编程，从而限制了结构的灵活性。据统计，实际工作中 常用到的组合逻辑，约有7 0 是只含不超过3 个乘积项的积项和；但是有时会 遇到些很复杂的组合逻辑，它们所需的乘积项往往又超过8 个，需要通过两 西华大学硕士学位论文 个或多个逻辑单元来实现，导致器件的资源利用率不高。针对这种情况，目前 的c p l d 已经有了很大的改进。 1 ) 乘积项数目不同的逻辑阵列单元 这种结构与图2 1 类似，所不同的是有多个逻辑阵列单元对并排而成，各 个逻辑阵列单元分别由不同数量的乘积项组成，可以根据需要进行选择，实现 更为复杂的逻辑功能。这种结构的代表产品有a l r n e l 公司的a t 2 2 0 v 1 0 a 。 2 ) 具有两个或项输出的逻辑阵列单元 图2 - 2 所示为个具有两个固定积项和输出的c p l d 的结构图。每个单元 中含有两个或项输出，每个或项输出有固定的4 个乘积项输入。为了提高或项 的利用率，每个或项的输出均先送到个由e p r o m 单元可编程控制的1 分2 选择电路，可输送到本单元第二级或门的输入端，或者是馈送到相邻阵列单元 ( 上面的或项输出馈送到相邻的下一个阵列单元，下面的或项输出馈送到相邻 的。日i 个阵列单元) 的第二级或门的输入端，使本单元不用的或项放到另外一 个单元中发挥其作用，这样的结构也被称为共享乘积项。由于每们翌辑阵列单 元可以共享相邻单元中的乘积项，使得每个阵列可具有4 、8 、1 2 、1 6 共4 种组 合的积项和输出。这种结构明显提高了器件资源的利用率，而目方便实现更为 复杂的逻辑功能。a l t e m 公司e p m 7 1 2 8 e 芯片采用的就是这种结构。 瓣出免协 ； 一、二 三 p 1 一一。“ 、bi ”、一i ? p 2 援馋选祥 警三露辕 魏择壤跨 习! 一 = ：，o f 奶董三“ 一、 丫、 i j “l ，。l稻5 “j 承 ) 1 h 选择 r 、 雾多聪锋 t 一 ； ；h | | 、3 一。甜绋选择 j j曩 i ； ：l 、一拳毒 爵窑1 嚣。 琴蕴多 ； ， | r lh 。：7 | ；：馥 。：i 蚴1 h e o 州咖船妇哑讹咖蜊删咖咖 图2 - 2 具有两个固定积项和输出的结构图 8 西华大学硕士学位论文 尽管大多数的逻辑函数能够用每个宏单元中的乘积项来实现，但某些逻辑 函数比较复杂，要实现它们，需要附加乘积项。为提供所需的逻辑资源，些 c p l d ( 如m ( 7 0 0 0 ) 不是利用另个宏单元，而是利用c p l d 结构中具有的 共享或并联扩展乘积项，将两种扩展项作为附加的乘积项直接送到本l a b 的 任意宏单元中。利用扩展项可保证在实现逻辑综合时，用尽可能少的逻辑资源， 得到尽可能快的工作速度。 3 ) 功能更多、结构更复杂的逻辑阵列单元 随着集成规模和工艺水平的提高，出现了大批结构复杂、功能更多的逻辑 阵列单元形式。如a l t e r a 公司的e p l 8 1 0 器件采用了全局总线和局部总线相结 合的可编程逻辑宏单元结构；a l t e r a 公司的e p l 系列和a l m e l 公司的a t v 5 0 0 0 系列器件采用了多阵列矩阵结构结构( m u l t i p l e a r r a y m a n - i x ，简称m a x ) ；x i l i n x 公司的x c 7 0 0 0 和x c 9 0 0 0 系列产品采用了通用互联矩阵( u n i v e r s a l i n t e r - c o n n e c tm a t r i x , 简称u i m ) 及双重逻辑功能模块的逻辑阵列单元。 2 2 2i o 控制j ；缺 输入输出单元，简称i o 单元，它是内部信号到i o 引脚的接口部分。由 于c p l d 通常只有门。个专用输入端，大部分端口均为i o 端，而且系统的输入 信号常常需要锁存，因此i o 常作为个独立单元来处理。c p l d 中的i o 控制 模块，根据器件类型和功能的不同，- i m 不同的结构形式，但基本上没个模块 都由输出极性转换电路、触发器和输出三态缓冲器3 部分及它们相关的选择电 路组成。下面介绍在c p l d 中广泛采用几种i o 控制模块。 f i g 2 - 3p a l - c o m p a 曲l ew i l hl h ec p l di oc o n t r o lm o d u l es m a c c a a e 图2 - 3 与p a l 兼容的i o 控制模块结构 9 西华大学硕士学位论文 1 ) 与p a l 器件相兼容的 o 模块 可编程逻辑阵列中每们窆辑阵列单元的输出都通过一个独立的 o 控制模 块接到 o 端，通过i o 控制模块的选择实现不同的输出方法，如图2 - 3 所示。 根据编程选择，各模块可实现组合逻辑输出和寄存器输出方式。 、； l 。叫 。等荛二 一| _ 一一， 、。 一三j 卜专“。 ”叫，” f i 刈 、 l _ ：麓 k o | 榴 图2 - 4o m c 结构图 2 ) 与g a l 器件相兼容的i o 模块输出宏单元 从逻辑从逻辑阵列单元输出的积项和首先送到输出宏单元( o u t p u tm a c r o c e l l ) 的输出极性选择电路，再由e p r o m 单元构成的可编程控韦啦来选择该 输出极性( 原码或补码) ，如图2 4 所示。每个o m c 中还有由e p r o m 单元构 成的两个结构控带些匣，根据构形单元表，o m c 可实现如图2 - 5 所示的4 种不同 工作方式。 甲 。= ： 黧，； 篇j 鄂rl 掣。8 ：? ，_ ： t 一例； 二 母l 一j 。 # 4 、；蠹盟f 面q i i f = ； 艘硭掀如崩童毪a 飚2 5 t h ef o u rw o r k i n gm e t i x x t so f o m c 图2 - 5o m c 的四种工作方式 l o 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 触发器可编程的i o 模块 为了进一步改善i o 控制模块的功能，对i o 模块中的触发器电路进行改 进并由e p r o m 单元进行编程，可实现不同类型的触发器结构，即d 、t 、j k 、 r s 等类型的触发器，如图2 - 6 所示。这种改进的i o 控制模块，可组合成多达 5 9 种电路结构。 f i g 2 - 6t r i g g 酣si oo 劬 o lm o d u l e 图2 - 6 触发器的i 0 控制模块结构 ( 4 ) 具有两种积项和输入与两个触发器的i o 控制模块 在该模央两中两个触发器可独立地反馈回逻辑阵列，其结构如图2 - 7 所示。 由于这种结构的灵活性，可使触发器成为“内藏( b u r r i e d ) ”工作方式，而且 由更多的触发器，很容易实现更为复杂的状态机功能。 f 毽” f o ( x 剃r o lm o d u l es t i u c ：m 陀k h 培t w o 珥m 蜘n 驰nw 池t w d 仃i 蹭日 图2 7 具有两路积项和输入与两个触发器的i 0 控制模块结构 ， ；j 稚 静 憾 一 y 阡奄| | 瓷 西华大学硕士学位论文 ( 5 ) 具有3 路积项和输入与两个触发器的i o 模块 在该模块中每个i o 模块可接受3 路积项和输入，每路各有4 个乘积项， 利用e p r o m 控制单元编程如图2 8 所示。与前种方式相比，具有3 路乘积 项和输出的i o 控制模块有着更大的自由度，同时大大提高了器件各个单元的 利用率。 ， 童f 一o l 搿； 荔 = = = ：= = 二j ? ；! 辩i 纠l 、= ：二二乏。： f i g 2 - 8 i oc o n t r o lm o d u l es m a e u a r eh a v i n gt h r e ep r o d u c tt e r ms u r n w i t ht w ot r i g g e r 图2 _ 8 具有3 路积项和输入与两个触发器的i o 控制模块结构 2 2 3 可编程连线阵列 可编程连线阵列的作用是在各逻辑单元之间以及逻辑单元和i o 单元之间 提供互连网络。各逻辑宏单元通过可编程连线阵列接收来自专用输入或输出端 的信号，并将宏单元的信号反馈到其需要的到达的目的地。这种互连机制有很 大的灵活性，它允许在不影响引脚分布的简兄下改变内部的设计。 2 2 4c p l i ) 的编程工艺 复杂可编程逻辑器件c p id 规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围， 为了避免熔丝编程的一次性局限，在c p l d 中使用浮栅编程技术，包括紫外线 擦除、电编程的e p r o m 工艺，电擦除、电编程的e 2 p r o m 工艺和f l a s h 工艺。 e p r o m 是可擦除的r o m ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er o m ) ，对r o m 中存 放的数据可通过紫外线照射的方法加以擦除。 e 2 p r o m 是电可擦除的r o m ，其存储数据的擦除不需要紫外线照射，而 是直接用一定幅度的电压脉冲完成。擦除过程是逐点进行的，对每个点都先 1 2 西华大学硕士学位论文 擦后写，但擦写所需的时间很短，一片数万门的c p l d ，其擦写时间通常不会 超过1 秒。 f l a s h 工艺的“熔丝 管结构，其擦写过程和e 2 p r o m 基本一致，但其擦 除不是逐点进行，而是一次性全部擦除，然后再逐点改写。因而其编程速度比 e 2 p r o m 高。 2 3f p g a 简介 f p g a 是2 0 世纪8 0 年代中期出现的高密度可编程逻辑器件，它与前面介 绍的阵列型可编程逻辑器件有所不同。f p g a 的结构类似于掩膜可编程门阵列 ( m p g a ) ，它由许多独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模 块连接起来实现不同的设计。f p g a 兼容了m p g a 和阵列p l d 两者的优点， 因而具有更高的集成度、更强的逻辑实现能力和更好的设计灵活性。 2 3 1 门阵列 现场可编程逻辑门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y , 简称f p g a ) ，它的 思路来源于门阵列。最简单的门阵列的示意图，如图2 - 9 所示。 辨4 j 口暖口口| _ = 暖弱翻l 一馏 t ；n 厂曩u 0 口叠g 戛、 髓【 二叠口j 口。强j 、 匪d u 星髓是蓦e 冒e 3 蚕e 罾e - 了 滋d 巴曩| = = ；曩乏k j 髓o l，t 暖口e 嚣 3 ；乙| o 暖墨 一 ，霞口e 霹豳| 二；习曩曩 删， 翳 口乜：【茸j l - j l 羔一 、， i 。 f 培2 矽t 1 l es n l | c 臼爬o f 缸g 啦舭巧 图2 - 9 门海式门阵列的结构示意图 在中央部分以阵列的形式制作了大量的门电路( 例如4 输入与二t f - f - ) ，在 图中周围除4 角是电源、地线、和时钟的接入点外，都是双向缓冲电路。门阵 列这种结构形式称为门海式( s e a - o f - g a t e s ) 结构，它也是个半成品，靠最后 1 3 西华大学硕士学位论文 一块掩膜( 制作连线) 完成各种不同的电路设计。由于门阵列需要掩膜编程， 因而其成本高、风险大，只有在设计非常成熟，批量非常大的情况下使用。 2 3 - 2 f p g a 的基泰结构 f p g a 具有掩膜可编程门阵列的通用结构，它由逻辑功能块排成阵列组合， 并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块以及相应的输入输出单元来实现不 同的设计。其中，f p g a 的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这些配 置数据存放在片内的s r a m 或熔丝匕。基于s r a m 的f p g a 器件，在工作前 需要从芯片外部加载配置数据，配置数据可以存储在片外的e p r o m 或其他存 储体。用户可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场编程。 各种f p g a 在结构上的差异主要在可编程逻辑块c l b 上，常见的结构主 要有3 种类型，即查表结构、多路开关结构和多极与非门结构。 2 3 2 1 查找表型f p g a 结构 查找表型f p g a 的可编程逻辑块是查找表，由查找表构成函数发生器，通 过查找表来实现逻辑函数。查找表的物理结构是静态存储器( s r a m ) 。m 个 输入项的逻辑函数可以由个2 m 位容量的s r a m 实现，函数值存放在s r a m 中，s r a m 的地址线起输入线作用，地址即输入变量值，s r a m 的输入位逻辑 函数值，由连线开关实现与其他功能块的连接。 查找表结构的函数功能非常强。m 个输入的查找表可以实现任意多输入逻 辑函数，这样的函数有2 m 个。用查找表实现逻辑函数时，把对应函数的真值 表预先存在s r a m 中即可实现相应的函数运算。 从理论上讲，只要能够增加输入信号线和扩大存储器容量，查找表就可以 实现任意多输入逻辑函数。但事实上，查找表的规模受到技术和经济因素的限 制。每增加制a 入项，查找表s r a m 的容量就需要扩大一倍。当输入项超过 5 个时，s r a m 的容量对输入项的增加就会变得不可忍受。1 6 个输入项的查找 表需要6 4 k b 位容量的s r a m ，相当于一片中等容量的r a m 规模。因此，在 实际应用中的f p g a 器件的查找表输入项不超过5 个，对多于5 个输入项的逻 辑函数则由多个查找表逻辑块或级联实现。此时逻辑函数也需要做些变换_ 以：适 1 4 西华大学硕士学位论文 应查找表的结构要求，这步在器件设计中称为逻辑分割。至于怎样变换逻辑 函数才能用最少数目的查找表实现逻辑函数，是个最优化解的问题，针对具 体的结构有相应的算法来解决这一问题。这在e d a 技术中属于逻辑综合的范 畴，可由软件来进行。 查找表型f p g a 的代表是x i l i n x 公司的x c 系列的f p g a ，它是最流行的 款f p g a 。 2 3 2 2多路删f p g a 在多路开关型f p g a 中，可编程逻辑块是可配置的多路开关。利用多路开 关的特性对多路开关的输入和选择信号进行配置，接到固定电平或输入信号上， 从而实现不同的逻辑功能。例如2 选1 多路开关的选择输入信号为s ，两个输 入信号为a 和b ，则输出函数为f - - - s a + s b 。如果把多个多路开关和逻辑门连接起 来，就可以实现数目巨大的逻辑函数。 多路开关型f p g a 的代表是a a e l 公司的a c t 系列f p g a 。 2 3 2 3 多级与非门型f p g a 结构 采用多级与t 1 3 结构的器件是a l t e r a