（机械工程专业论文）机械自动化控制系统中rs485光can通信模块设计与开发.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 本文以机械自动化系统为平台，对通信模块进行了研究与开发。机械 自动化系统中的通信方式通常在控制端采用r s 4 8 5 总线，而在执行端采 用c a n 总线方式，r s 4 8 5 光c a n 通信模块的设计与开发主要任务是： 将控制端的r s 4 8 5 通信方式转换成光通信方式和将执行端的c a n 总线方 式转换成光通信方式，即完成r s 4 8 5 总线转光子模块和光转c a n 总线子 模块的设计与开发。 首先介绍了r s 4 8 5 总线转光和光转c a n 总线模块的总体设计，并对 r s 4 8 5 总线转光子模块和光转c a n 总线子模块分别进行了功能描述，并 就子模块的各功能单元进行了详细地说明。 其次分别围绕硬件实现与软件实现两方面对r s 4 8 5 总线转光子模块 和光转c a n 总线子模块两个子模块进行研究。在r s 4 8 5 总线转光子模 块中，主要对f p g a 及其外围电路、r s 4 8 5 接口电路和光收发器电路等 的设计原理和设计思想进行了研究，软件方面对基于q u a r t u s l l 的f p g a 开发、n i o s 软核移植以及f p g a 软件功能模块的设计。在光转c a n 总 线子模块中，对光收发器电路、f p g a 及其外围电路、单片机电路、c a n 接口电路等的硬件设计进行了研究，软件方面除了介绍了f p g a 软件功 能模块开发与r s 4 8 5 总线转光子系统中f p g a 软件开发的异同外，还详 细的论述了基于a v r 单片机c 语言的开发以及相关的软件工作流程。 最后介绍了系统的调试方法和过程，同时对本设计的结果作出了说 明，对系统的升级与改进做出了展望。 关键词：光通信；r s 4 8 5 总线；c a n 总线 论文类型：应用研究 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第l l 页 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er c s e a l c ha n de x p l o i t u r eo ft h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，t a k i n gt h em a c h i n e r ya u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e ma sap l a t f o r m n e c o n g t r o lc o m p u t e ro ft h em a c h i n e r ya u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mc o m m u n i c a t e s b ym e a n so fr s 4 8 5b u s ， a n dt h ep e r f o r m a n c ec o m p u t e ro ft h em a c h i n e r y a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mc o m m u n i c a t e sb ym e a n so fc a nb u s t h ed e s i g n a n de x p l o i t u r eo ft h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h em a c h i n e r ya u t o m a t i o n c o n t r o ls y s t e mc o m p l e t e st h et a s kw h i c hi st h ec o n v e r s i o no fr $ 4 8 5b u sa n d o p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ec o n v e r s i o no fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dc a n b u s ，t h a ti sc o m p l e t i n gt h ed e s i g na n de x p l o i t u r er s 4 8 5b u sc o n v e r t e dt o o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns u bm o d u l ea n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e dt o c a nb u ss u bm o d u l e f i r s t ， i ti n t r o d u c e so v e r a l ld e s i g no fr s 4 8 5b u sc o n v e r t e dt oo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns u bm o d u l ea n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e dt oc a nb u s s u bm o d u l ea n dd e s c r i b e st h e i rf u n c t i o n t h e i rf u n c t i o n a lu n i t sa l ed e t a i l e d d e s c r i b e d t h e n ，r s 4 8 5b u sc o n v e r t e dt oo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns u bm o d u l ea n d o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e dt oc a nb u ss u bm o d u l ea r er e s e a r c h e df r o m b o t hs o f t w a r er e a l i z a t i o na n dh a l d w a l er e a l i z a t i o n t h ed e s i g np r i n c i p l e sa n d d e s i g ni d e a so ft h ef p g aa n di t se x t e r n a lc i r c u i t s ，r s 4 8 5i n t e r f a c ec i r c u i t s a n do p t i c a lt r a n s c e i v e rc i r c u i t sa l er e s e a r c h e di nt h eh a l d w a ma r e ao fr s 4 8 5 b u sc o n v e r t e dt oo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns u bm o d u l e t h ee x p l o i t u r eo ff p g a b a s e do nq u a r t u s l ls o f t w a r e ，t h et r a n s p l a n t a t i o no fn i o ss o f tn u c l e a ra n dt h e d e s i g no ff p g as o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l e sa l ed e s i g n e di nt h es o f t w a r ea r e a o fr s 4 8 5b u sc o n v e r t e dt oo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns u bm o d u l e t h eh a r d w a r e d e s i g no ft h eo p t i c a lt r a n s c e i v e rc i r c u i t s ， f p g aa n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t s ， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l | i 页 m c uc i r c u i t s ，a n dc a ni n t e r f a c ec i r c u i t sa r er e s e a r c h e di nt h eh a r d w a r ea r e a o fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e dt oc a nb u ss u bm o d u l e b e s i d e st h e s i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so ft h ef p g as o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l e se x p l o i t u r e b e t w e e nr s 4 8 5b u sc o n v e r t e dt oo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns u bm o d u l ea n d o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e dt oc a n b u ss u bm o d u l e ，t h ecl a n g u a g e d e v e l o p m e n tb a s e do nt h e 彳眩m i c r o c o n t r o l l e ra n dr e l a t e dw o r kp r o c e s s e s a r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h es o f t w a r ea r e ao fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e d t oc a nb u s s u bm o d u l e f i n a l l y ，t h es y s t e md e b u g g i n gm e t h o da n ds y s t e md e b u g g i n gp r o c e s s a r ee x p a t i a t e d ，a tt h es a m et i m e ，t h eo u t c o m eo ft h i sd e s i g na r es h o w e d t h e u p g r a d eo ft h i ss y s t e ma n di m p r o v eo ft h i ss y s t e ma r ep r o s p e c t e d k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；r s 4 8 5b u s ；c a nb u s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 弋米保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 言羹# ? 了景乏矽勿言翥? 签名：z 孳爹 日飙谢，兮彤 日期： 叩，衫 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 骊勿 西南交通大学工程硕士学位论文第1 页 1 1课题背景 第1 章绪论 1 1 1 机械自动化控制系统及其构成 随着科学技术的发展，机械自动化程度越来越高，对相关控制系统的 研究也逐渐深入。大型的机械自动化控制系统分为控制端和执行端两部 分，控制端和执行端分别由各自的计算机来完成相应的控制功能，而控制 机和具有扩展功能的执行装置之间的连接是由光通信完成的，因此机械自 动化控制系统光通信的研究与开发就显得尤为重要了。 1 1 2 光通信、r s 4 8 5 总线、c a n 总线的优缺点 由于光通信的日益发展和普及，光通信技术已经成为人们获取信息和 数据传输的重要渠道之一，而它的应用也将更加广泛。在过去的几十年里， 光通信技术发展迅速，广泛使用于海底、陆地长距离干线通信以及有线电 视网等。最近几年来，光通信的容量平均每2 4 年就增长一倍。 光通信具有如下优点：( 1 ) 光波频率高、传输容量大：( 2 ) 不受电磁干 扰，保密性好：( 3 ) 信号衰减小，中继距离长：( 4 ) 耐高温、高压，抗腐蚀， 不受潮，工作可靠：( 5 ) 光纤材料来源丰富、价格低廉、直径小、重量轻、 可挠性好，对它的需求随着各种通信网络的建设、扩充和提速而快速增长。 铁路系统作为国家经济发展的大动脉，也必然愈来愈多地引入光通信技术 来提高通信质量和通信距离。 c a n 总线一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导 纤维。通信速率可达1 m b p s 。c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的 站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使 网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位 二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的数据块，这种按数据块 编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式 西南交通大学工程硕士学位论文 第2 页 控制系统中非常有用。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域 中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用 总线时间过长，从而保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可 提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。c a n 卓越的特性、 极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此， 越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。 另外，c a n 总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分 散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。c a n 总线上任意节点可在任意 时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间 实现自由通信。现场总线( f i e l d b u s ) 能同时满足过程控制和制造业自 动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领 域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。c a n 总线 的这些优点也决定了其在铁路上也必然有广泛的应用，铁路车站信号应急 联锁系统的执行单元就采用了c a n 总线通信方式。 机械自动化控制系统的控制端采用r s 4 8 5 总线方式。r s 4 8 5 作为一 种传统工业总线，在工业控制上有广泛的应用。r s 4 8 5 的接口信号与1 几 电平兼容，可方便与t r l 电路连接。r s 4 8 5 采用平衡驱动器和差分接收 器的组合，抗共模干扰能力增强，具有良好的抗噪声干扰性。r s 4 8 5 最大 的通信距离约为1 2 1 9 m ，最大传输速率为1 0 m b s ，传输速率与传输距离 成反比，r s 4 8 5 总线允许连接多达1 2 8 个收发器，上述优点就使其成为首 选的串行接口。 光纤通信、c a n 总线、r s 4 8 5 总线，三种通信方式各有优缺点，如 何将这三种通信方式的特点结合起来，就成为了一个关注的焦点。 西南交通大学工程硕士学位论文第3 页 表1 1光纤通信、c a n 总线和r s 4 8 5 总线优缺点比较表 r s 4 8 5 总 特性光纤通信c a n 总线 线 成本低高较高 总线利用率低很高高 单主节 网络特性多主节点多主节点 点 数据传输率低很高高 可靠的错误处理和检错 容错机制无可靠的自检机制 机制 通信失败率两极低很低 3 0 5 0 k m ( 1 3 1 0 n m 通信距离 夏夏夏 图3 3e p l c l 2 电源电路连接图 3 3 v 和1 5 v 的电压分别由图3 4 所示的5 v 转3 3 v 电压转换模块和 图3 5 所示的5 v 转1 5 v 电压转换模块将5 v 的直流电压转换而来，其中 的l m s l 5 8 5 a i s 3 3 1 5 分别是3 3 v 和5 v 的电压转换芯片，1 0 u f 1 6 v 电 容与1 0 0 n f 电容并联起到滤波抗干扰作用： c，一v 口l o 。+。+ t， 5 ，咖l ，叱谴珏5 j r “ 图3 45 v 转3 3 v 电源转换电路图 l l l l 啦i 5 8 5 , m g - 15 i 。彳 图3 55 v 转1 5 v 电源转换电路图 西南交通大学工程硕士学位论文第15 页 e p i c l 2 自带两个锁相环p l l ，它为客户应用提供了高性价比的时序 控制方案，简化板级设计的时序问题。两个引脚v c c a _ p l l l 和 v c c a _ p l l 2 为其的p l l 提供逻辑电压，不管这两个锁相环是否使用，必 须接1 5 v 的电压，典型电路如图3 6 所示： ，f b - - j ，。， 。m 一_ 41 。 口 ：n i c 3 7c 3 8 c 4 3 c 3 9 ? = _ _ _ _ 一_ _ 一 一 一 l u f 1 6 v z 2 l l f 1 0 0 n f ： 1 0 1 1 f l；一- ； 。 ： l。 一 一 = ：- ” “ ? ? ； ” j j ：一 。 ， ；毒 一 ； ； 图3 6e p i c l 2p u 电源电路图 3 2 2f p o a 时钟模块 f p g a 时钟模块提供f p g a ( e p i c l 2 ) 模块调试及工作所需高精度时 钟信号，e p i c l 2 配备了1 8 4 3 2 m h z 和5 0 0 0 m h z 两个晶振，1 8 4 3 2 m h z 晶振的电路如图3 7 所示： ：i “f “ 一 y 】 3 3 v 图3 7e p i c l 2 晶振电路连接图 西南交通大学工程硕士学位论文第16 页 3 2 3f p g a 测试点灯程序 为了显示b - p g a 设计的功能( 如数据收发功能) 是否实现，在e p i c l 2 上特别利用了八个引脚d 1 。d 8 接了8 个l e d 灯，通过程序控制灯的亮灭 来反映运行状态，进而来测试f p g a 的设计功能，根据要显示的功能不同， 所以选用的l e d 灯颜色也不同，有绿的有红的，电路如图3 8 所示： 图3 8f p g a 测试点灯电路 3 2 4f p g a 程序烧写模块 e p i c l 2 可以同时采用2 种编程方法，即a s + 配置芯片方式r 主动配置 方式) 以及j t a g 方式，下载电缆都可以通用，比如b y t e b l a s t e r l i ； j t a g 是j o i n tt e s ta o i o ng r o u p ( 联合测试行动小组) 的简称，是一种 国际标准测试协议( i e e e1 1 4 9 1 兼容) 。j t a g 标准主要用于芯片内部测 试以及对系统进行仿真、调试。j t a g 技术是一种嵌入式调试技术，它在 芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ，测试访问口) ，通 过专门的j t a g 调试工具对内部节点进行测试。标准的j t a g 接口是4 线： 西南交通大学工程硕士学位论文第17 页 t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输 入和测试数据输出。 用j t a g 方式的话，就是直接将程序下载到f p g a 中，由于f p g a 中 是基于s r a m 结构的，所以每次断电之后程序就没有了，所以必须每次 上电都重新下载。用j t a g 方式的好处在于便于调试，比如我们可以用 q u a r t u s l l 中的s i g n a l t a p l l 嵌入式逻辑分析仪进行f p g ai 0 引脚上信号的 实时观测，非常的方便。这种方式下采用的下载文件是s o f 文件。 e p i c l 2 有专门用来连接的引脚e p i c l 2t d i 、e p i c l 2t m s 、 e p i c l 2t c k 、e p i c l 2t d o 。电路图如图3 9 ，其中的l e d 3 和l e d 4 灯用来反映烧写状态： 图3 9e p i c l 2j t a g 方式编程电路图 用a s + 配置芯片方式，就是可以将程序下载到配置芯片中，配置芯片 ( 如e p c s 系列) 就是一块e p r o m ，它可以在每次系统上电的时候，都 自动将程序烧写到f p g a 中，这样一来f p g a 就用不着每次上电都重新烧 写了，这种方式下采用的下载文件是p o f 文件。e p i c l 2 所对应的配置芯 片为e p c s 4 ，具体电路如图3 1 0 ，其中”n c o n f i g ，n s t a t u s ”应该上拉， 上拉电阻的阻值可以采用1 0 k q ： 西南交通大学工程硕士学位论文第1 8 页 j 2三 a l td c l k l2 a l tc o n fd o n e ： 34 ： 3 3 v a l tn c o n f i g ： 56：a l t r i c e a l td a t a 0 ： 78 ： a l tn c s ( a l ta s d o 。 - 3 9 1 0v 图3 1 0e p i c l 2a s 方式编程电路图 配置芯片e p c s 4 的电路如图3 1 1 所示： j i 一、j ? i 。xi 。j 3 3 vt j l 2 ：7 ； ；。! 9。3 v c cd a t a 2f p g ac f 【 享。 7 8 v c cd c l k 6a l tc fd 面n f ； v c cn c s la l tc fn c _ g n da s d i 5a l ，tc fa ： t 图3 1 1e p i c l 2 配置芯片e p c s 4 电路图 如果以上2 种方式同时使用，需要2 根接线柱，一根下载线，一套配 置成a s 方式，一套配置成j t a g 方式。前期使用j t a g 方式调试，待f p g a 功能成型之后，就可以用a s 方式将程序固化到配置芯片中去，以后就不 用每次上电都重新下载了。 3 3r s 4 8 5 接口电路的设计 r s 4 8 5 是在r s 4 2 2 基础上发展来的。在r s 4 2 2 中定义了一种平衡通 信接d ，将传输速率提高到1 0 m b p s ，传输距离延长到4 0 0 英尺( 速度低 于1 0 0 k b p s 时) ，并允许在一条平衡线上连接最多1 0 个接收器。r s 4 2 2 是一种单机发送，多机接收的单向、平衡传输规范标准。为了扩展应用范 围，在r s 4 2 2 标准的基础上，1 9 8 3 年e i a 研究出了一种支持多节点、远 西南交通大学工程硕士学位论文 第19 页 距离和接收高灵敏度的r s 4 8 5 总线标准，该标准增加了多点、双向通信 能力，即允许多个发送器连接到同一总线上。同时，增加了发送器的驱动 能力冲突保护特性，扩展了总线的共模范围。 ， r s 4 8 5 支持半双工或全双工模式，网络拓扑结构一般采用终端匹配的 总线型结构，不支持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接 起来，从总线到各个节点的引出线长度尽量短，以便使引出线中的反射信 号对总线信号影响尽量最低。 r s 4 8 5 标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线， 具体规格要求： 接收器的输入电阻r i n = 1 2 k o 驱动器能输出7 v 的共模电压 输入端的电容= 5 0 p f 在节点数为3 2 个，配置1 2 0 0 的终端电阻的情况下，驱动器至少还 能输出电压1 5 v ( 终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) 接收器的输入灵敏度为2 0 0 m v ( 即( v + ) ( v ) = 0 2 v ，表示信号“0 ”； ( v + ) ( v ) = - 0 2 v ，表示信号“1 ”) 因为r s 4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的特性， 使得e i ar s 4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。 3 3 1r s 4 8 5 收发电路的设计 r s 4 8 5 收发器，采用高速的r s 4 8 5 r $ 4 2 2 收发器m a x 3 0 8 0 ，m a x 3 0 8 0 中内部集成了一个接收器，一个发送器。只需将串口的收发引脚t x 和 r x 分别接m a x 3 0 8 0 的r o 和d i 脚，就可以实现r s 4 8 5 通信。在传输过 程中加入光隔m 6 1 1 。光隔m 6 1 1 主要用来实现对输入输出电路进行隔离， 进而有效的抑制系统噪声；同时可以优化电路参数的设计，解决通信波特 率提高的瓶颈问题，使之能工作在最佳状态。不过应该特别说明的一点是 光隔部分电路所采用的两个电源v c c 和g n d 必须完全隔离，否则采用 光隔也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率隔离输出的开关电源 西南交通大学工程硕士学位论文 第2 0 页 模块d c d c 实现。这些部分虽然增加了节点的复杂，但是却提高了节点 的稳定性和安全性。图3 1 2 的r 9 ，为终端匹配电阻，由于信号反射的缘 故，故需要在接收口加上一个阻值等于电缆特性阻抗的终端匹配电阻，从 而减少信号发射。因为大多数双绞线特性阻抗大约在1 0 0 q 至1 2 0 f 之间， 故这里选用了1 2 0 q 的r 9 作为终端匹配电阻。 图3 1 2r s 4 8 5 收发电路电路图 3 3 2 电平转换电路设计 由于f p g a 外部管脚的输出电平为3 3 v ，故用f p g a 内部门电路搭 建的串口，输出电压也为3 3 v ，而r s 4 8 5 收发器芯片m a x 3 0 8 0 工作电 压为5 v 。这样就得在f p g a 的串口引脚和r s 4 8 5 收发引脚间加入电平转 换芯片。我们选用专用电平转换芯片7 4 l v 4 2 4 5 ，它可以将3 3 v 与5 v 之 间互相转换。如果f p g a 有数据要上传给r s 4 8 5 收发器时，需要将3 3 v 转换成5 v ；而r s 4 8 5 收发器有数据下发给f p g a 时，需要将5 v 转换成 3 v 。故电平转换电路包括两部分：一部分为升压部分，3 3 v 转换成5 v ； 一部分为降压部分，5 v 转换成3 3 v 。具体电路如图3 1 3 所示： 西南交通大学工程硕士学位论文第2 1 页 。，。，一；十一4d 日。 图3 1 3 电平转换电路原理图 3 4 光收发电路的设计 光收发电路由光电子器件、功能电路和光接口等结构件组成，光电子 器件包括发射和接收两部分，发射部分包括l e d 、v c s e l 、f pl d 、d f b l d 等几种光源；接收部分包括p i n 型和a p d 型两种光探测器。 目前光收发电路中的光电子器件的封装由较大尺寸的双列直插形式 为主发展为以同轴封装形式为主；光接口等结构件从s t 、f c 发展到s c 及更小尺寸的l c 、m t - r j 型连接口形式，相应的光收发模块的封装形式 也从金属封装发展到塑料封装，由单接口的分离模块发展到双接口的收发 一体模块。管脚排列及封装由双列直插2 0 脚、1 6 脚分离模块发展到单排 9 脚( 1 x 9 ) 、双排9 脚( 2 9 ) 以及今后的双排1 0 脚和双排2 0 脚的收发一体 模块。 光收发器采用a i i ，r a y 公司的a t r 0 3 2 0 3 b 。a t r 0 3 2 0 3 b 为 5 2 m b p s 、3 3 v 、i v t t i ，、1 3 1 0 r i m 的单模转换器，最长可以传输6 0 k m ， 可将光信号转换为3 3 v 的i ，电信号。特性如下： ( 1 ) 单一3 3 v 供电； ( 2 ) l v t f l 信号； ( 3 ) - i - ! l k 标准l x 9 针 ( 4 ) 双向的s c s t f c 连接 西南交通大学工程硕士学位论文 第2 2 页 其电路连接如图3 1 4 所示，通过u 1 3 ( a t r 0 3 2 0 3 b ) 的r x d 、t x d 与f p g a 的接收、发送相连，从而实现数据传输。 ； 一 ；： ： 。 ? j 7 图3 1 4光收发电路电路连接图 3 5 r s 4 8 5 转光子模块软件设计 3 5 1系统语言及软件开发平台 在f p g a 功能单元的设计中所使用的语言为硬件描述语言 v e r i l o g h d l ，开发平台为a l t e r a 公司的q u a r t u s l i 软件，在f p g a 中还移 植了软核n i o s 。 3 5 1 1 v e r i l o g h d l 语言的特点 v e r i l o gh d l 是一种硬件描述语言( h d l h a r d w a r ed i s c r i p t i o n l a n g u a g e ) ，是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言， 用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成 的逻辑功能。 西南交通大学工程硕士学位论文第2 3 页 硬件描述语言发展至今已有几十年历史，并成功地应用到系统的仿 真、试验和设计、综合等方面。目前常用的硬件描述语言有a h d l ，a b e l ， v h d l ，v e r i l o g h d l 等。1 9 9 0 年c a d e n c e 公司发表了v e r i l o g h d l 并 成立了l v i 组织，以促进v e r i l o g h d l 成为i e e e 标准，即i e e e s t a n d a r d l 3 6 4 1 9 9 5 。就目前的发展趋势来看，v e r i l o g h d l 的设计人员增 长速度相当快。这主要表现在v c r i l o g h d l 是在c 语言的基础上发展起来 的一种硬件描述语言，它具有了c 语言的很多优点。与v h d l ( v h s i c h a r d w a r ed e s c r i p tl a n g u a g e ) 相比，这两种硬件描述语言中，v e r i l o g h d l 的编程风格更加简洁明了，高效便捷，简单易学。在v e r i l o g h d l 中的模 块相当于c 语言中的函数，它调用模块也是通过模块名来相关联的，模 块之间是通过端口连接的，并且所有m o d u l e 模块都是并发运行。 v e r i l o g h d l 语言开发c p l d f p g a 的完整流程是：文本编辑一功能 仿真一逻辑综合一布局布线一时序仿真( 后仿真) 。 v e r i l o gh d l 用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数 字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的 电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地 进行时序建模。 从语法结构上看，v c r i l o gh d l 语言与c 语言有很多相似之处，并继 承和借鉴了c 语言的多种操作符和语法结构。下面列出的是v e r i l o gh d l 语言的一些主要特点： ( 1 ) 能形式化地表示电路的结构和行为。 ( 2 ) 借用高级语言的结构和语句，例如条件语句、赋值语句和循环语 句等。在v e r i l o gh d l 中都可以使用，既简化了电路的描述，又方便了设 计人员的学习和使用。 ( 3 ) 能够在多个层次上对所设计的系统加以描述，从开关级、门级、 寄存器级( r t l ) 至0 j 功能级和系统级都可以描述。设计的规模可以是任意的， 语言不对设计的规模施加任何限制。 西南交通大学工程硕士学位论文第2 4 页 ( 4 ) v e r i l o gh d l 具有混合建模的能力，即在一个设计中各个模块可以 在不同的设计层次上建模和描述。 ( 5 ) 基本逻辑门，例如a n d 、o r 和n a n d 等都内置在语言里。 ( 6 ) 用户定义原语( u d p ) 创建的灵活性。用户定义的原语既可以是组 合逻辑原语，也可以是时序逻辑的原语。v e r i l o gh d l 还有内置逻辑函数。 3 5 1 2 可编程逻辑基本设计原则 可编程逻辑设计有许多内在规律可循，下面总结出了四条基本原n - ( 1 ) 面积与速度的平衡与互换原则。 这里面积是指一个设计所消耗的f p g a 的逻辑资源数量，也就是所消 耗的触发器和查找表，速度是指设计在芯片上稳定运行时所能达到的最高 频率，这个频率由设计的时序状况决定，与设计满足的时钟周期、p a dt o p a dt i m ec l o c ks e t u pt i m ec l o c kh o l dt i m e 和c l o c k - t o - o u t p u td c l a y 等 众多时序特征量密切相关。面积与速度是一对对立统一的矛盾体，它们作 为两个指标贯穿着f p g a 设计的始终，判断着设计质量的好坏。 ( 2 ) 硬件原则 硬件原则主要针对h d l 代码编写而言，以v e r i l o g 语言为例，它的本 质作用在于描述硬件。一个设计的最终性能，在很大程度上取决于设计工 程师所构想的硬件实现方案的效率和合理性，而不是代码的整洁、简短。 在写v e r i l o g 代码的时候，应该充分理解硬件系统的并行处理特点，合理 安排数据流的时序，提高整个设计的效率。另外，v e r i l o g 作为一种h d l 语言，对系统行为的建模方式是分层次的。 ( 3 ) 系统原则 系统原则包含两个层次的含义：更高层面上看，是一个硬件系统，一 块单板如何进行模块划分与任务分配，什麽样的算法和功能适合放在传统 的f p g a 里面实现，什麽样的算法和功能适合放在d s p 、c p u 里面实现， 或者在使用内嵌c p u 和d s pb l o c k 的f p g a 中如何划分软硬件功能，以 西南交通大学工程硕士学位论文 第2 5 页 及f p g a 的规模估算数据接口设计等；具体到f p g a 设计就要求对设计的 全局有个宏观上的合理安排，比如时钟域、模块复用、约束、面积和速度 等问题。要知道在系统上复用模块节省的面积远比在代码上小打小闹来得 实惠得多。 ( 4 ) 同步设计原则 早期的p l d 设计经常使用行波计数器或者异步脉冲生成器等典型的 异步逻辑设计方式以节约设计所消耗的面积资源。但是异步逻辑设计的时 序正确性完全依赖于每个逻辑元件和布线的延迟，所以其时序约束相对复 杂而困难，并且极易产生亚稳态、毛刺等，造成设计稳定性下降和设计频 率不高。随着f p g a 的不断经济化，器件资源已经不再成为设计的主要矛 盾，而同步时序电路对全面提高设计的频率和稳定性至关重要，从这个层 面上讲，尽量使用同步时序更加重要。另一方面随着f p g a 的逻辑规模不 断扩大，在f p g a 中完成复杂且质量优良的异步时序设计过于费力费时， 其所需调整的时序路径和需要附加的相关约束相当繁琐，异步时序方法和 可编程设计理念背道而驰的。 3 5 1 3q u a r t u s l l 设计软件 q u a r t u s l l 是a l t e r a 公司的第四代可编程逻辑器件开发软件，它除承接 原来m a x + p l u s i i 软件的全部设计功能和器件对象外，还增加了许多新 功能和新的f p g a 器件系列。q u a r t u s l i 软件提供了一种与结构无关的全集 成化环境，将设计、综合、布局和布线、系统的验证都整合到一个无缝的 环境中，使设计者能方便地对a l t e r a 公司的p l d 系列产品进行设计输入、 快速处理和器件编程。随着微电子和计算机技术的快速发展，可编程器件 的规模越来越大，许多e d a 开发软件的功能越来越全面。q u a r t u si i 编 译报告中能一次性给出较详细的信息，所有的延时分析信息都包含在编译 报告中。延时分析中的信息有：内部f m a x ( 不包括引脚上的输入输出延 时) 或系统f m a x ( 包括引脚上的输入输出延时) ，寄存器到寄存器的延 西南交通大学工程硕士学位论文第2 6 页 时报表：t 辄( 输入建立时间) ，t h ( 输入保持时间) ，t c o ( 时钟到输出 时间) 和t p d ( 引脚到引脚的延时) 等。 a l t c z a 公司的e d a 开发软件q u a r t i i s 现已升级到9 1 ，它支持的器件 多、界面友好、操作方便，是设计数字电路系统的有力工具之一。基于 q u a n u s l i 平台的数字系统设计方法如下： ( 1 诳o u a m s l l 平台上输入设计文件 应用q 岫m j s l i 设计数字电路系统时，任一项设计都是一项工程 缸西e d ) ，在设计前先为每一项设计建立一个文件夹，以便将设计工程中 的相关文件存放其中。一个工程中可以包含多个设计文件。在o u a n u s l i 窗口界面上，选择菜单命令f i l e n c w p r o j e t w i z a r d ，可出现工程设置对话 框，如图3 1 5 所示，填入工程所在的文件夹路径、工程名、顶层文件的 实体名。 图3 1 5q u a r t u s i i 项目设定窗口图 西南交通大学工程硕士学位论文第2 7 页 ( 2 ) 设计、编译文件 在建立完一个项目后，就可以进行具体的设计了，在设计中可以采用 图形设计方法，也可以采用语言设计方法，一般是两种方法混用。写完一 个程序后，需要对这个程序进行编译，看有没有语法上的错误。q u a r i u s l l 编译器是由一系列处理模块构成的，这些模块对设计项目检错、逻辑综合、 结构综合，将设计项目适配进f p g a c p l d 目标器件中，并产生多种用途 的输出文件，如功能和时序仿真文件，器件编程的目标文件等。编译时点 击p r o c e 她- s t a r tc o m p i i a t i o n 则会出现图3 1 6 所示界面。若编译中出现 错误提示，则查找错误，修改源程序代码，再重新编译，直到编译通过。 ：= 篓善墨羔= ! 竺黧譬“羔墨? ! 烹皇鬻”登罂! 篡曼黧鼍翼篡。紫i 鬻冀? 燮壁警1 8 理崮 e d 口日 0co 0 q 口5 5 0日$ 、 图3 1 6o u a r t u s f f 编译窗口围 ( 3 ) 设计的仿真 仿真是对设计项目进行一次全面的测试，验证设计项目的功能时序特 性，保证最后设计的硬件功能与原设计相吻合。一般情况下，设计完一个 西南交通大学工程硕士学位论文第2 8 页 程序模块后，就应该进行仿真，等每个模块仿真都没问题了，就可以组合 成更大的模块，这样就有效地保证了程序的可靠性。仿真可分为功能仿真 和时序仿真。功能仿真只测试设计项目的纯逻辑行为，而时序仿真既测试 逻辑行为，也测试实际器件在最差条件下设计项目的真实运行情况。一个 程序完成了设计和仿真，点击f i l e r e a t u p d a t e - c r e a t s y m b l ef i e s f o r c u r e n t f i l e 命令，如图3 1 7 所示，把它生成一个模块符号，以便在以后图 形文件中调用。按上述方法编译组成电子钟的各个源文件，并分别生成一 个模块符号，当所有元件都放好后，就可以进行连线，添加输入，j 龠出口， 然后打开图形编辑器用这些图形块符号组成顶层文件。将顶层文件( 扩展 为b d 0 设置为要编译的文件，选择器件系列和型号，选择菜单命令对顶层 文件进行编译 囤3 1 7q u a r t u s i l 生成模块宙口图 ( 4 ) 器件编程 用o u a r t u s h 对设计项目完成编译、仿真后，可对a l l c r a 公司的器件 进行编程或配置了，q u a r t u s l l 编译器的a s s e m b l e r 模块自动将适配过程的 器件逻辑单元和引脚分配信息转换为器件的编程图像，并将这些图像以目 西南交通大学工程硕士学位论文第2 9 页 标器件的编程器对象文件( p 回或s r a m 对象文件( s 0 0 的形式保存为编 程文件。 下载