（检测技术与自动化装置专业论文）基于cpld的晶闸管类电力电子设备智能触发器电路的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 基于c p l d 的晶闸管类电力电子设备智能触发器电路的研究 检测技术与自动化装置 范柳絮( 签名) 麴- 兰- - 、1 i 李宏( 签名) j 主莩扛 摘要 电力电子技术诞生至今已有5 0 多年的历史，尽管可供电力电子行业技术人员选用的 电力电子器件有4 0 多种，但直到今天晶闸管仍占据着单管容量最大的霸主地位，在晶闸 管类电力电子设备中广泛应用，为实现其控制智能化、提高其运行可靠性，晶闸管正常 工作时必不可少的高性能数字触发器日益成为人们研究的热点。本论文在充分分析了晶 闸管触发器的发展现状和趋势的基础上，结合国内对高性能晶闸管触发器的强烈需求， 研制了一种集相序自适应、缺相保护、外部故障保护、脉冲分配和调制等功能于一身的 单片晶闸管数字触发器，根据三相桥式全控整流系统数字触发器的工作原理，利用c p l d 芯片和v h d l 语言提出了基于相序自适应的编程方法，用软件实现了缺相保护、外部故 障保护、触发脉冲分配、双窄脉冲形成及脉冲调制等功能。文中详细介绍了基于c p l d 的相序自适应晶闸管数字触发器的硬件组成原理和软件设计思想，进行了软件仿真和硬 件调试，其实验波形和结果表明，该晶闸管数字触发器能够准确发出具有良好对称性和 稳定性的触发脉冲，也能够保证三相桥式全控整流系统可靠工作。同时，该晶闸管数字 触发器的双窄脉冲宽度、脉冲调制频率、触发角精确度都可通过软件和实际要求进行改 变，大大提高了触发系统的灵活性和可靠性，具有较高的应用价值。 关键词：相序自适应晶闸管数字触发器复杂可编程逻辑器件 论文类型：应用研究 i l 英文摘要 s u b j e c t ： ac p l db a s e ds t u d yo fi n t e l l i g e n tt r i g g e rc i r c u i tf o rt h y r i s t o rp o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t f a nl i u x u ( s i g n a t u r e ) 缸丛丝 l ih o n g ( s i g n a t u r e a bs t r a c t p o w e re l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yh a se n j o y e d ah i s t o r yo fo v e r5 0 y e a r s a l t h o u g h p r o f e s s i o n a l si nt h i si n d u s t r ym a yc h o o s ef r o mm o r et h a n4 0d i f f e r e n td e v i c e s ，t h y r i s t o ri ss t i l l p l a y i n gad o m i n a n tr o l ei nt e r m so fp e ru n i tc a p a c i t y i ti sw i d e l yu s e di np o w e re l e c t r o n i c s e q u i p m e n t s i no r d e rt oa c h i e v ei n t e l l i g e n tc o n t r o la n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，h i g h - p e r f o r m a n c e d i g i t a lt r i g g e r s ，w h i c ha r ek e yt ot h en o r m a lf u n c t i o no ft h y r i s t o r s ，h a v eb e c o m eaf o c u so f r e s e a r c h e s h a v i n ga n a l y z e dt h ec u r r e n ts t a t u sa n df u t u r et r e n do ft h et h y r i s t o rt r i g g e r ，t h i s t h e s i s d e v e l o p st h ed i g i t a lt r i g g e ro fs i n g l et h y r i s t o r t om e e tt h e h u g ed e m a n df o r l l i g h p e r f o r m a n c et h y r i s t o rt r i g g e r s ，w h i c hi n t e g r a t e st h ef u c t i o n so fs e l f - a d a p t i n g ，l a c k i n g p h a s e sp r o t e c t i o n ，e x t e r n a lf a u l t sp r o t e c t i o n ，p u l s e sd i s t r i b u t i o na n dm o d u l a t i o n t h i sa r t i c l e b a s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa b o u tt h e d i g i t a lt r i g g e rs y s t e mo ft h r e e p h a s ef u l l - b r i d g e c o n t r o l l e dr e c t i f i e r , p r o p o s e st h ew a yo f p r o g r a m m i n gb a s e do np h a s e ss e l f - a d a p t i n gb yu s i n g c p l da n dv h d l t h r o u g ht h es o f t w a r ei ta c h i e v e sp r o t e c t i o nw h e n p h a s e sa r ed i s o r d e r e do r w h e ne x t e r n a lh a sf a u l t s ，t h e ni m p l e m e n t st h ed i s t r i b u t i o no ft r i g g e rp u l s ea n dp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n t h et e x ti n t r o d u c e st h ec o m p o s i n gp r i n c i p l e so fh a r d w a r ea n dt h ed e s i g n i n gi d e a s o fs o f t w a r ei nd e t a i l ，s u p p l i e si t ss o f ts i m u l a t i o na n dh a r d w a r ed e b u g g i n g t h ee x p e r i m e n t a l p r o f i l e sa n dr e s u l t si n d i c a t et h i st h y r i s t o rd i g i t a lt r i g g e rc a na c c u r a t e l ys e n do u tt r i g g e rp u l s e ， w h i c hh a sag o o ds y m m e t r ya n ds t a b i l i t y i ta l s oc a ng u a r a n t e et h eh i g hg r a d et r i g g e rp u l s ei s p r o v i d e dt ot h et h r e e p h a s ef u l l - b r i d g ec o n t r o l l e dr e c t i f i e rs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h e d o u b l en a r r o wp u l s ew i d t h , t h em o d u l a t i o nf r e q u e n c yo fp u l s e ，a n dt h ep r e c i s i o no ft r i g g e r a n g l ec a nb ec h a n g e dt h r o u g hs o f t w a r ea n dt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s t h i sg r e a t l ye n h a n c e dt h e f l e x i b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo f t h et r i g g e rs y s t e m ，a n dh a st h eh i g h e ra p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：p h a s e ss e l f - a d a p t i n gt h y r i s t o rd i g i t a lt r i g g e rc p l d t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以终，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本入承提一切相关责任。 论文作者签名：盘墓日期： 塑墨：s ：兰参 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：蓖柳絮 导师签名： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自第一只晶闸管诞生以来，电力电子技术已发展了5 0 多年，人们研究出来的各种电 力电子器件也有4 0 余种。但由于晶闸管所能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子 器件中最高的，所以晶闸管仍是人类可以使用的单管容量( 电压乘以电流) 最大的电力 电子器件。在我国，每年投运的电力电子设备中，晶闸管的装机容量仅次于电力整流管 的电力电子器件，在特大功率电力电子设备中的霸主地位直至今天也是任何其它电力电 子器件所无法取代的，因此在特大功率电气传动设备或电力电子变流系统中，承担电能 变换或控制任务的主要电力电子器件仍是晶闸管。以晶闸管为主功率器件的高压直流输 电、无功补偿、大型直流电动机调速、大功率同步电机励磁、特大功率变频电源、大型 交流电动机调速、高压交流电动机调速等电力电子设备仍是当今电力电子设备制造行业 的热门产品，在这些领域中晶闸管几乎必不可少，因此晶闸管的可靠工作在电力电子设 备中就显得尤为重要。而晶闸管要导通，就必须保证当阳阴极承受正向电压时，门阴极 有触发脉冲，所以在晶闸管类电力电子设备的应用中必不可少的是对晶闸管触发器的研 究，触发器性能的好坏，对晶闸管控制系统的可靠性、稳定性、快速性，以及调节范围 和精度都有很大影响，也就是说只有晶闸管触发器产生可靠的门极触发脉冲，晶闸管才 可能正常工作，晶闸管类电力电子设备的工作性能才能进一步提高。 尽管如今可供电力电子行业使用的晶闸管触发器种类繁多，包括模拟的和数字的， 但由于模拟电路无法克服其分散性大、温度稳定性差等问题，晶闸管触发器的数字化设 计就成为当今触发电路的研究方向。随着高性能大规模集成电路技术的日趋成熟，复杂 可编程逻辑器件c p l d 因其功能强大、开发过程投资少和周期短、在线可编程、可反复 修改、保密性能好等优点，在现今电子行业中已获得了广泛的应用。本论文利用高性能 c p l d 芯片作为晶闸管控制系统的一个核心部件来实现晶闸管数字触发器，该数字触发 器产生的触发脉冲对称度好、稳定性强，明显提高了触发器的性能指标和晶闸管类电力 电子设备的可靠性。 1 2 晶闸管触发器的发展状况 1 9 5 7 年，美国g e 公司发明了人类第一只晶闸管( t h y r i s t 0 0 ，开辟了电力电子技术的 新阶段，为今日电力电子技术的日新月异奠定了坚实的基础。在此期间，伴随着晶闸管 自身的发展，为其提供触发脉冲的触发器也在不断的演进，从最初阶段的分立式晶闸管 触发器到后来广泛应用的多片、单片模拟集成式晶闸管触发器，再到现在正热门开发的 数字集成式晶闸管触发器，晶闸管触发器的发展可谓是突飞猛进【1 1 。可以预言，将来晶 两安石油大学硕+ 学位论文 闸管触发器必然向着更高性能发展，数字化、智能化、模块化是晶闸管触发器发展的必 然趋势。 1 2 1 分立式晶闸管触发器 2 0 世纪6 0 年代后期至7 0 年代初期，晶闸管主要用来取代汞弧整流器实现从交流到直 流的转化，电力电子行业称之为顺变器阶段。在该阶段内，晶闸管应用的主要领域是电 解、电镀和直流调速等，其触发器绝大部分都是分立式触发器，主要有阻容移相桥、单 结晶体管、正弦波同步、锯齿波同步、三角波同步等几种触发器。由于分立器件的分散 性以及所用元件的数量较多，因而决定了一个晶闸管的触发器就是一块控制板，所以这 一时期生产的晶闸管类电力电子设备几乎全为多块控制板式的插件箱。单相全控桥晶闸 管整流系统，就需四块触发器板、一块正电源板、一块负电源板、一块保护板、一块调 节板，共八块控制板。用量较大的晶闸管三相桥式全控整流系统，需要六块触发器板， 一块调节板，一块保护板，一块给定板，两块电源板，一块放大板共有十二块控制板， 组成插件箱结构。对于用户来说，要想构成一个晶闸管变流装置，只能在市场上买到各 个组成单元，要将各个组成单元拼接在一起才能构成完整的系统整体，而且，各组成单 元的功能有时并不能满足实际的需要，经常需要进行大量的二次开发过程，消耗大量的 人力物力。并且分立器件分散性大，其参数易受环境温度等变化的影响而漂移，所以这 种分立式晶闸管触发器的可靠性相对较差，系统结构及配线较复杂【2 1 ，使用起来很不方 便。 目前，分立式晶闸管触发器已被集成式触发器所取代，在新生产的晶闸管类电力电 子设备中，分立式晶闸管触发器己不再使用。 1 2 2 模拟集成式晶闸管触发器 为了弥补分立器件构成的晶闸管触发器之上述缺点，2 0 世纪7 0 年代后期至今，世 界上电力电子技术发达的国家不断推出了模拟集成式触发器，这种集成触发器将同步信 号、脉冲移相、脉冲形成等触发电路的几个主要环节制作在一个集成块内，外部有适当 的引出管脚，使用时，只需接上电源、引入同步电源、控制信号，加上简单的外部辅助 电路，就可以得到所需要的触发脉冲。目前国内常用的多片集成式触发器有k j 、k c 系 列、t c a 7 8 5 等，这种小规模集成电路，通过比较三相锯齿波信号和直流控制信号来获 得移相信号的相位参考点，而三相锯齿波信号的斜率、占空比、幅度等与分离的每相元 器件参数密切相关，信号中比较小的干扰可能造成较大的相移误差，因而电路的可靠性 和自动平衡能力较差。同时，在三相桥式全控整流电路中，必须采用5 片集成电路，使 用时存在电路功耗大、抗干扰能力差、长期可靠性差等问题。 2 第一章绪论 为了进一步改善这些问题，人们又采用单片集成电路的模拟触发技术，利用这种技 术所产生的单片集成触发器t c 7 8 7 、t c 7 8 8 与以往的k j 、k c 系列及t c a 7 8 5 集成触发 器相比，具有精度高、抗干扰能力强、移相范围宽、外接元件少等优点，一块t c 7 8 7 集 成电路，就相当于三块t c a 7 8 5 和一块k j 0 4 1 、一块k j 0 4 2 或五块k j ( 三块k j 0 0 4 、一 块k j 0 4 2 、一块k j 0 4 1 ) 系列器件组合的功能。可见单片集成式晶闸管触发器大大简化 了外围电路，调试简便，使用可靠，但在原理上仍局限于锯齿波比较的模拟电路范围， 仍然不能成为现场应用中的理想产品，因此，人们正竭尽全力开发数字集成式晶闸管触 发器来克服以上触发器的不足。 1 2 3 数字集成式晶闸管触发器 以往的模拟触发电路都是利用控制电压的幅值与交流同步电压综合来获得同步和移 相脉冲，即用控制电压的模拟量来直接控制触发角，而晶闸管触发信号本质上是一种离 散量，完全可以由数字信号来实现。随着微电子技术的发展，特别是微型计算机的广泛 应用，数字式触发器的控制精度和响应速度可大大提高，同时，由微处理器做成的晶闸 管数字触发器因不存在模拟触发器的分散性以及一致性差等缺陷，故使触发器技术又向 前推进了一步。 最早的数字式触发器是由单板机最小系统实现的，后来开发了具有相序自适应功能 及自对相功能的单片数字式触发器，如k c l 6 8 、k c l 8 8 、c a 6 1 0 0 等。其中k c l 6 8 3 】的设 计甚为巧妙，它的内部包含有1 个同步过零检测单元，i 个a d 转换器，1 b 触发脉冲形成 单元，1 个脉冲分配环节，1 个脉冲调制单元，1 个工作时钟，2 个与门，1 个或门，1 个外 部故障保护逻辑共9 个功能单元，同步过零检测单元检测出同步信号的过零点( 即同步方 波信号的上升及下降沿) 并记忆，作为触发脉冲产生及移相的参考点；另一方面a d 转 换器将输入的移相控制电压转换为数字量后，在触发脉冲形成单元内，相对于同步信号 的过零点，形成触发脉冲，该脉冲经脉冲分配环节分配为对应同步信号正负半周的两路 触发脉冲，再和脉冲调制单元输出的调制脉冲列经2 个与门相与后，输出彼此相位互差 1 8 0 0 的两路调制脉冲列，用来触发与同步信号正负半周对应的2 个晶闸管，一旦外部电路 出现故障，或同步信号丢失，则内部电路便会快速进行保护，确保输出恒为低电平。 后来，随着单片机技术的发展，人们采用单片机控制技术开发出了晶闸管数字触发 器【4 】，该类触发器因为采用数字运算而性能稳定，产生的触发脉冲对称度好、易调整， 弥补了模拟集成式触发器使用必须确定同步电压相序等不足，它仅用一片单片机，借助 巧妙的软件设计便实现了模拟触发器的所有功能，并具有相序自适应、缺相保护、内含 数字p i 调节器、参数在线调节等功能，还能实现系统的智能控制，是国内晶闸管触发器 开发研究的一个热点。但是由于单片机硬件资源定时器的限制，在设计中，一般是采用 单相电源电压同步，这就需要增加外部器件锁相环产生三相同步信号，触发脉冲形成的 两安石油大学硕士学位论文 设计也只能采用相对式触发方式，降低了触发脉冲的相间对称性，而且，单独的一片微 处理器很难完成所有的触发器控制功能、触发脉冲的形成及脉冲调制波的产生等，因此 一般是使用两片甚至四片微处理器才能使得系统的设计达到最优化，这样一来，不仅大 大的增加了硬件成本，更加大了电路板体积，抗干扰能力又进一步下降。同时，由于单 片机采用的编程语言的特性，降低了数字触发器的控制精度，无论是汇编语言还是c 语 言，其指令都是串行运行的，也就是说，在同一时间处理器只能做一件事情，比如从触 发角度值写入到计数器中开始直到触发脉冲的发出结束这一段时间内，c p u 计算得到新 的p i 运算结果并不可能重新写入计数器中，因为触发脉冲形成和写p i 运算结果在程序中 是两个具有先后关系的过程。 如今，随着e d a 技术和可编程逻辑器件的发展，出现了基于c p l d 的新型数字触发 电路，它充分利用c p l d 强大的数字逻辑处理能力和在系统编程功能，大大提高了触发 电路的可靠性和灵活性，在国内已经有一些相关方面的设计【5 】【6 】【7 】【引，但都存在一些不足， 比如有些设计其移相控制信号是经压控振荡器将电压信号转换为频率信号输入主控芯 片，由于压控振荡器的转换精度会在很大程度影响脉冲输出精度，另外有些设计虽然形 成了一个具有负反馈的系统，但是由于缺少相序自适应和缺相保护等功能，所以不是很 完整。 本论文则沿着晶闸管触发器的这个发展方向研制了一种基于a l t e r a 公司 m a x 7 0 0 0 s 系列芯片的数字集成式晶闸管触发器，它所发出的脉冲信号经过放大及隔离 电路整形后即可直接触发晶闸管。该数字触发器有相序自适应、脉冲对称度高、抗干扰 能力强、响应速度快及运行稳定、可靠等优点。 1 3 晶闸管触发器的发展趋势 由于环境、能源、社会、高效化的要求，电力电子设备正向高性能化、智能化、数 字化、系统化及绿色化发展，作为电力电子设备核心器件的晶闸管触发器也就必然要朝 着数字化、模块化和智能化方向发展。 1 3 1 数字化 晶闸管触发器是晶闸管类电力电子设备的核心控制部分，传统的晶闸管整流或逆变 系统采用的模拟脉冲触发器使用多个模拟器件，器件参数较为分散，易受到环境的影响， 且产生的脉冲对称性差，控制精度较低。另外传统的晶闸管整流或逆变系统需要三个同 步变压器来得到触发脉冲的同步信号，不仅增加了系统的成本，同时给安装调试带来不 便。近年来，随着微处理器和大规模可编程逻辑器件c p l d 、f p g a 的快速发展，数字控 制技术取代传统模拟控制技术成为可能，大规模可编程逻辑器件的采用使得微处理器可 以从繁忙的事务中解脱出来，大量的数字运算和逻辑运算可由大规模集成电路来完成， 4 第一章绪论 微处理器可以专心于整体系统的控制流程、检测故障、自检测功能等，提高了系统的响 应速度、控制精度，更加适用于复杂的工业控制，其系统更加简单，工作性能更加可靠、 稳定。 同时，数字集成式晶闸管触发器不需要对相序，可实现相序自适应、脉冲形成、脉 冲调制、在线可调等功能【9 】。数字控制不易受环境温度、电源电压及时间变化等因素的 影响，系统稳定性和整体可靠性大幅提高，而且数字控制系统的通用性强、灵活性大、 功能易于扩展和修改。它的控制功能是由软件来实现的，只要改变软件内容，就能方便 的适应不同要求，实现灵活的多功能控制，这种由软件取代硬件来实现晶闸管的触发控 制、反馈信号的检测和调节、故障诊断等功能，减少了元器件的数目，简化了硬件结构， 提高了系统的工作可靠性，产生的脉冲对称性好，抗干扰能力强，控制精度高。因此， 数字触发器能够实现模拟控制和一般数字集成电路难以完成的任务，数字化是晶闸管触 发器进一步发展的必然趋势。 1 3 2 模块化【加l 模块化是指在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上，划分并设计、 生产出一系列通用模块或标准模块，然后，从这些模块中选取相应的模块并补充新设计 的专用模块和零部件一起进行相应的组合，以构成满足各种不同需要的产品的一种标准 化形式。自上世纪七十年代模块原理被引入电力电子技术领域以来，由于模块外形尺寸 和安装尺寸的标准化以及芯片间的连线已在模块内部连成，因而它与同容量的分立器件 相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好、便于维修 和安装、结构重复性好、装置的机械设计可简化、总价格比分立器件低等优点；又因模 块化是使电力电子装置的效率、重量、体积、可靠性、价格等技术经济指标进一步改善 和提高的重要措施，因此，将晶闸管及其触发器集成在一个模块内是晶闸管类电力电子 设备发展的一个方向。 晶闸管触发器的模块化就是要把尽可能多的硬件以芯片的形式安装到一个模块中， 减少元器件的数量，降低器件分散性所带来的误差，从而提高系统的可靠性。触发器与 晶闸管集成为一体的巨型晶闸管模块将出现并扩大使用领域，给电力电子行业的设计人 员和使用人员带来极大的方便，将成为晶闸管及触发器使用的主流，其需解决的技术难 点是散热、强弱电之间的隔离等问题，这将受到世界各国电力电子设备厂商的高度重视。 1 3 3 智能化 自智能控制产生以来，它已经给电力电子领域的控制策略带来了新思想、新方法。 对于晶闸管触发器智能化主要是将触发器模块智能化，形成智能功率模块，将功率器件 和低压逻辑电路集成在一个芯片上，制成智能集成电路，它将信息处理和电力变换统一 两安石油大学硕七学位论文 在一起，可使体积减小，重量减轻，可靠性提高，进而降低装置成本。在这类模块中将 功率器件、接口电路、过热、过流保护电路、各支路的信号分配电路、电源电路、过载 和过压保护电路封装在同一外壳内，实际上这种模块已相当于一个功能完整的小型变流 装置，是今后的重要发展方向。 1 4 本论文的研究内容 本论文的研究内容是以复杂可编程逻辑器件c p l d 为主控芯片，通过编写软件的方 法设计晶闸管数字触发器，实现电力电子设备中晶闸管触发器的数字化、智能化和高性 能化。 本论文从硬件和软件两部分介绍了该晶闸管数字触发器的设计原理：硬件部分主要 包括c p l d 主控芯片、a d 转换器、同步电路、脉冲隔离放大电路、电源电路以及过压、 过流、过热、欠压等外部故障检测电路；软件部分则是运用m a x + p l u s i i 软件编写v h d l 语言程序来实现c p l d 内部的整个控制逻辑，主要内容包括实现相序自适应、缺相保护、 脉冲形成、脉冲调制以及外部故障( 过压、过流、过热、欠压等故障) 的保护。 设计该晶闸管数字触发器时，首先对晶闸管数字触发器的功能进行分析，从整体上 了解该系统的工作情况并确定方案，在做好系统分析的基础上从具体逻辑器件c p l d 入 手，了解其内部结构及功能，运用m a x + p l u s i i 软件编写v h d l 语言程序来实现三相 晶闸管数字触发器的一系列功能，并通过多次软件仿真和硬件调试，使设计达到要求。 实际操作时，先设计硬件电路原理图，制出p c b 硬件电路板，然后将编写好的程序下载 到c p l d 中，对电路板进行调试，用示波器观察其触发脉冲的对称性和稳定性。最后， 将此晶闸管数字触发器接到三相桥式全控整流系统中，检验该晶闸管数字触发器是否满 足设计要求。 6 第二章复杂可编程逻辑器件c p l d 的介绍 第二章复杂可编程逻辑器件c p l d 的介绍 2 1c p l d 概述i 1 1 1 1 1 2 i 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应焉的社会，数字集成电路本身在 不断进行更新换代，由早期的电子管，晶体管，中小规模集成电路，发展到超大规模集 成电路( v l s i c ) 以及许多具有特定功能的专用集成电路( a s 陀) 。但是，随着微电子 技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商独立承担，系统设计师 更愿意自己设计a s i c 芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室就 能设计如合适的a s i c 芯片，并且立即投入到实际应溺中去，因而2 0 世纪8 0 年代中期， a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 和现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它们都具有结构 体系化、逻辑单元灵活、集成度高以及试用范围宽等特点，这两种器件兼容了早期可编 程逻辑器件( p l d ) 和通鬻阵列逻辑( g a l ) 的优点，可实现较大规模的电路，可以替 代几十甚至几千块通用i c 芯片，编程也很灵活。 、 由于c p l d 的规模较大，这样c p l d 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。简单地讲，c p l d 是这样一种a s i c ( 专用集成电路) ：内部有大量的逻辑门、触发器等硬件资源，可由用户配置连接来实现 专用的鼷户逻辑功能，逶过软件编程可以实现这些门电路的不同连接关系，从而整个 c p l d 对外就完成了不同的功能，并且这些门电路的连接关系可以不断通过软件来改变。 和单片机毖较，c p l d 在时序和延遴的实现功能上不如单片机，但是c p l d 在芯片容量， 组合逻辑，工作速度，编程难度以及可擦写次数等功能上远优于单片机；另外还有最重 要的一点，c p l d 的加密性能很好，据我们所调研的资料得知，目前困内只有7 0 3 2 l c 系列可以解密，并且解密费用达到3 万，其它都不可以解密。 采用c p l d 可编程逻辑器件，可利用计算机软件的方式对目标进行设计，而以硬件 的形式实现。既定的系统功能，在设计过程中，可根据需要随时改变器件的内部逻辑功 能和管脚的信号方式，借助于大规模集成的c p l d 和高效的设计软件，用户不仪可通过 直接对芯片结构的设计实现多种数字逻辑系统功能，而且由予管脚定义的灵活性，大大 减轻了电路图设计和电路板设计的工作量及难度。 c p l d 的这些优点使得c p l d 技术在2 0 世纪9 0 年代以后得到飞速的发展，同时也 大大推动了e d a 软件和硬件描述语言( h d l ) 的进步，目前大容量的c p l d 也在不断 推出，它将是电子领域中最具有活力和发展前途的一项技术。 a l t e r a 公司作为全球最大的可编程逻辑器件供应商之一，多年来在这一领域中投入 了极大的开发和研制力量，该公司所生产的c p l d 器件具有良好的性能、高的集成度和 7 两安石油大学硕十学位论文 应用的灵活性，除了具有一般可编程逻辑器件的特点外，还在在线配置功能、高速度和 连续式布线结构等方面有特别之处【1 3 】。本论文选用a l t e r a 公司m a x 7 0 0 0 s 系列c p l d 器件，以下对该系列c p l d 器件的硬件结构和软件开发工具等做了简单介绍。 2 2m a x 7 0 0 0 s 系列c p l d 器件1 1 4 l 【1 5 l m a x 7 0 0 0 s 系列c p l d 器件由逻辑阵列块、宏单元、扩展乘积项( 共享和并联) 、 可编程连线阵列、i o 控制块五部分构成。另外，该系列器件中还含有4 个专用输入， 它们即可用作通用输入，也可作为每个宏单元和i o 引脚的高速、全局控制信号，其中 包括时钟( c l o c k ) 、清除( c l e a r ) 和两个输出使能( o u t p u te n a b l e ) 。m a x 7 0 0 0 s 系列 c p l d 器件的内部结构如图2 1 所示。 i l | p u t g c l k l i 肝u t o e 2 g c l k 2 i n p u t o e l i n p u t g c ir n 6 输出使能 群1 - 1 元6 恽 i i 。 宏3 3 单元, l ：8 忙 1 1 1 6 辩1 7 赣- - 。3 2 辩4 9 鞒 - 6 4 6 “1 6 r + 图2 1m a x 7 0 0 0 s 器件内部结构图 2 2 1 逻辑阵列块( l a b ) 6 输出使能 蚓蛰 l 制 i 块 一 6 1 6 厂一 习蛰 i 制 l 块 一骺 m a x 7 0 0 0 s 器件结构主要是由高性能的、灵活的逻辑阵列模块( 简称为逻辑阵列块 l a b ) 以及l a b 之间的连线组成。每1 6 个宏单元阵列组成一个l a b ，多个l a b 通过 可编程互连阵列( p i a ) 连接在一起，p i a 即全局总线，由所有的专用输入、i o 引脚以 及宏单元馈给信号。 啪控制块下一跏控制块砸 ：匠匿 露匠： 拍脚 拍脚 v q v o 6 i 6 i 第二章复杂可编程逻辑器件c p l d 的介绍 2 2 2 宏单元 m a x 7 0 0 0 s 器件的宏单元能够单独地配置为时序逻辑和组合逻辑工作方式，每个宏 单元由逻辑阵列、乘积项选择矩阵和可编程触发器三个功能块组成。逻辑阵列实现组合 逻辑函数，给每个宏单元提供5 个乘积项，乘积项选择矩阵分配这些乘积项作为到“或” 门和“异或”门的主要逻辑输入，以实现组合逻辑函数功能；或者把这些乘积项作为宏单 元中触发器的辅助输入，实现清除、置位、时钟使能等控制功能。作为触发器功能，每 个宏单元寄存器可以单独编程为具有可编程时钟控制的d 、t 或j k 触发器工作方式，每 个宏单元寄存器也可以被旁路掉，以实现组合逻辑工作方式。在设计输出时，设计者指 明所需的触发器类型，然后由m a x + p l u s i i 为每一个触发器功能选择最有效的寄存器工 作方式，以使设计所需要的器件资源最少。 2 2 3 扩展乘积项 尽管大多逻辑函数能够用每个宏单元中的5 个乘积项实现，但某些逻辑函数更为复 杂，需要附加乘积项，为提供所需要的逻辑资源，不是利用下一个宏单元，而是利用 m a x 7 0 0 0 s 结构中具有的共享和并联扩展乘积项( “扩展项”) ，这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。 在每个l a b 内有两组宏单元，每组含8 个宏单元( 例如，一组是宏单元l 到8 ，另 一组是9 到1 6 ) ，在l a b 中形成两个出借或借用并联扩展项的链。一个宏单元可从较 小编号的宏单元中借用并联扩展项，例如，宏单元8 能够从宏单元7 、6 和5 中任意借用 并联扩展项。在含有8 个单元的一个组内，最小编号的宏单元仅能出借并联扩展项，而 最大编号的宏单元仅能借用并联扩展项。 2 2 4 可编程连线阵列( p i a ) 在可编程连线阵列( p i a ) 上布线，将各l a b 相互连接构成所需的逻辑，这个全局 总线是可编程的通道，它把器件中任何信号源连到其目的地。所有m a x 7 0 0 0 s 的专用输 入、i o 引脚和宏单元输出均馈送到p i a ，p i a 可把这些信号送到整个器件内的各个地方， 只有每个l a b 真正所需的信号，才给它布置从p i a 到该l a b 的连线。 2 2 5i o 控制块 i o 控制块允许每个i o 引脚单独地配置为输入、输出或双向工作方式，所有i o 引 脚都有一个三态缓冲器，它能由全局输出使能信号中的一个控制，或者把使能端直接连 到地( g n d ) 或电源( v c c ) 上。m a x 7 0 0 0 s 器件的i o 控制块含有6 个全局输出使能 9 两安石油大学硕士学位论文 信号，这6 个使能信号能够由两种信号驱动：两个输出使能信号、一个影0 引脚的集合 信号或一个i o 宏单元的集合，并且还可以是这些信号经过“反相”后的信号。当三态缓 冲器斡控制端连到地( g n d ) 时，萁输避为第三态( 高隧态) ，并且i o 孳| 脚能够作为 专用输入引脚使用；当三态缓冲器控制端连到电源( v c c ) 上时，输出被使能，m a x 7 0 0 0 s 结构提供双i o 反馈，且宏单元和i o 弓| 脚的反馈是相互独立的；当i o 引脚配置成输入 引脚时，与其相联系的宏单元可以用于隐含逻辑。 2 3 硬件描述语言 2 3 1 什么是硬件描述语言1 1 6 l 硬件描述语言简称为h d l ( 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 ) ，是一种用形式化方法 来撩述数字电路和系统的语言，也是电子设计人员和电子设计自动纯( e d a ) 工具之间 的界面。数字系统设计者利用h d l 可以从上层到下层、从抽象到具体逐层地描述自己 的设计思想，用一系列分层次的模块来表示复杂的数字系统，然后剥用e d a 工具逐层 进行仿真验证，再把其中需要变为具体实际电路的模块组合经由自动综合工具转换到门 级电路网表，接着可用专用集成电路( a s i c ) 或复杂可编程逻辑器件( c p l d f p g a ) 自动布局布线工具把网表转换为具体电路以实现布线结构。在制裁物理器件之前，还可 以用门级模型来代替具体基本元件。因为h d l 语言的逻辑功能和延时特性与真实的物 理元件完全一致，所以在仿真王具的支持下用h d l 语言设计的数字电路或系统能验证 复杂数字系统物理结构的正确性，使设计的成功率达到1 0 0 。目前，这种称之为高层 次设计的方法已在数字系统及微电子器件设计中被广泛采用，是目前a s i c 和 c p l d f p g a 设计中占主导地位的设计方法。 应用硬件描述语言的主要目的，是用来编写设计文件建立电子系统行为级的仿真模 型。人们利用计算机的强大运算功能对用h d l 建模的复杂数字逻辑系统进行仿真，然 后再自动综合以生成符合要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑网表( n e t l i s t ) ，根 据网表和某种工艺的器件自动生成具体电路，然后生成该工艺条件下这穗具体电路的延 时模型，仿真验证无误后用于制造a s i c 芯片或写入c p l d 和f p g a 器件中。 硬件描述语言的发展至今已有2 0 多年的历史，并成功地应用于电子设计的建模、仿 真、验证和综合等各个阶段。到2 0 世纪8 0 年代，已出现了上百种硬件描述语言，它们 对设计自动化系统曾起到了极大的促进和推动作用，但是，这些语言一般备自面向特定 的设计领域与层次，而且众多的语言使用户无所适从，因此急需一种面向设计的多领域、 多层次、并得到普遍认同的标准硬件描述语言。进入2 0 世纪8 0 年代后期，硬件描述语 言向着标准化的方囊发展，最终v h d l 和v e r i l o g h d l 语言适应了这种趋势的要求，先 后成为i e e e 标准。 l o 第二章复杂可编程逻辑器件c p l d 的介绍 h d l 和传统的原理图输入方法的关系就好比是高级语言和汇编语言的关系。h d l 的可移植性好，使用方便，但效率不如原理图；原理图输入的可控性好，效率高，比较 直观，但设计大规模c p l d f p g a 时显得比较烦琐。在真正的c p l d f p g a 设计中，通 常建议采用原理图和h d l 结合的方法来设计，适合用原理图的地方就用原理图，适合 用h d l 的地方就用h d l ，最方便使用哪一种h d l 就使用哪一种，并没有强制的规定。 在最短的时间内，用自己最熟悉的工具设计出高效、稳定、符合设计要求的电路才是我 们的最终目的。 2 3 2v h d l 及其特性1 1 7 l l l 8 l v h d l 的英文全名是v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th 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 ，即超高速集成电路硬件描述语言。v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行 为、功能和接口，除了含有许多具有硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格 与句法十分类似于一般的计算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计， 或称设计实体( 可以是一个元件，一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或称为可视部 分，即端口) 和内部( 或称为不可视部分) ，即涉及实体的内部功能和算法完成部分。 在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成，其它的设计就可以直接调 用这个实体，这种将设计实体分成内外部分的概念是v h d l 系统设计的基本点。应用 v h d l 进行工程设计的优点是多方面的： ( 1 ) v h d l 是一种标准语言，设计者可在不同的设计环境下进行设计，电路仿真和 综合均可在v h d l 语言环境中进行。 ( 2 ) 与其它的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力，从而决定了它 成为系统设计领域最佳的硬件描述语言，强大的行为描述能力是避开具体的器件结构， 从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 ( 3 ) v h d l 丰富的仿真语句和库函数，可在设计时根据需要自己配置，方便取舍， 使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统功能的可行性，随时可对设计进行仿真 模拟。 ( 4 ) v h d l 语句的行为描述能力和程序结构，决定了它具有支持大规模设计的分解 和已有设计再利用等功能，符合市场需求的大规模系统高效、高速地完成必须有多人甚 至多个研发小组共同并行工作才能实现。 ( 5 ) 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，可以利用e d a 工具进行逻辑综合和优 化，并自动把v h d l 描述设计转变成门级网表。 ( 6 ) v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管 最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。 西安石油大学硕士学位论文 2 3 3v h d l 设计方法及其优点 v h d l 设计方法基本包含3 个方面： ( 1 ) 设计描述：这种描述必须是有效的，符合v h d l 语言输入与语法的规则。 ( 2 ) 设计综合：将设计描述转换成优化的门级表示，这是v h d l 设计方法的关键。 目前的综合工具只是将输入的r t l ( 寄存器传输级) 级的v h d l 描述转换为门级的网表， 再由门级的网表实现互连的门级宏单元结构