（电路与系统专业论文）基于可编程逻辑器件的多媒体智能双向教学系统的研制.pdf

些銮查主翌圭兰垒兰銮 摘要 目前微电子技术已发展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成效 千万个晶体管。而计算棚技术的发展也是日新月异。这两者的相互结合，就使得 设计旮口 获得了先进的e d a 开发软件以及集成度高、工作速度快、编程方便且 价掐捌氐的可编程逻辑器件，同时也为我们基于可编程逻辑器件的多媳材智能双 向教学系统的研制提供了可行性。 f ，从市场的角度来看，目前国内厂商生产的多媒体双向教学系统产品尚没有采 用e d a 技术的。而我们采用e d a 技术研制的这种多媒体智能双向教学系统，本 着“集中管理，分散使用”的原则，连接所有救室和备喇番放媒体，不但增强了 其可靠性，缩小了产品体积，降低了开发成本，而且使产品升级变得更加简单。 因而开发基于大规模可编程逻辑器件的多媒体智能双向教学系统具有很好的应用 ，、， 前景。1 在本论文中以大规模可臻壤酗醛歌附为袭体，完成了多媒体智能双向教学系 统的研制。该系统具有遥控播放、远程教学、视频点播、电j 1 9 8 会议、示范课教学 及电脑排课等丰富的功能。 ，f 由于设计的规模比较大，在开发的i 堀中，按照自顶向下和分层营缺化的设 k 计方法。整个系统的设计分为教室终端控制器、节目源控审蝽导、中央控制器及主 控软件四大部分。其中中央控黼功能仅由一崽赶铡$ 同编程逻辑器件及少量 外围电路完成，充分体现了可编程逻辑器件的优势。这部分的实现是本论文的 1 山东大学硕士学位论文 核心部分，同时也是本论文的个特色。 为了使系统具备高司靠性，我f 采暇了：时单片机使用具匍耵咀i 性盼号 用复位电路和硬件看门狗电路；对控制部分和信息传输部分进行光电隔离，并 各自单独供电；j c 寸按键进行消抖处理。另外，由于中央控静隰是整个系统的核 心，它的可靠与否决定了整个系统的性能，因此，在对中央控制器的设计中，我 们采取了：使用大规漠葡鳙暗彩蜂器件e p f l 0 k 2 0 ：中央控翩器与其余三方 的通信中均采用了校验技术和超限判断技术；对e p f l o k 2 0 中的全部无用状态 进行了预置；通过仿真消除了可能造成误触发的毛刺干扰；中央控串蝽s 对处 于工作状态的教室终端控制器实行多次呼叫，也就是当终端控铋器有控制请求， 但请求命令由骑一次传输过程中出现错误时，可以趣i 亍 我欠传输，保证了控带啦青 、 求得到及时、正确的处理。f 。 在论文自嗨蝤，还总结了对硎赫默搁器蝴愀的设糊中遇到的典 型问题及解决办法，对于其它可编程逻辑器件的开发设计有一定的参考价值。 在论文的实验以及撰写过程中，对司鬻耀酗瞵觥的结构有了定的了解， 列嚣梢廿蝴积累了些经验；通过在识剜j 螗中发观问题和解决问题，对e d a 工具及设计方法学也有了较深的理解，基本掌握了v h d l 程序设计、逻辑综合、 时序分析、功能验证等现代电子设计技术，为后续的开发工作奠定了基础。 关键词：电子设计自动化可编程逻辑器件 硬件描述语言多媒体教学系统 4 山东大学硕士学位论文 a t p r e s e n t , m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y h a s r l l nt o d e e p s u b m i c r o m e t r e , s ot h a tt h o u s a n d su p o nt h o u s a n d so ft r a n s i s t o rc a n b ei n t e g r a t e di na s i n 毋ec h i p w h o s ea r e ai s o n t y s o m es q c m m o r e o v e r , t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g yi s a tv e r yf a s t s p e e d t h e yc o m b i n et o g e t h e r , s ot h a tw ec a ng e ta d v a n c e de d a s o f t w a r ea n dp l d st h a th a v e h i g hi n t e g r a t i o n ，f a s ts p e e d ，c o n v e n i e n t p r o g r a m a n dl o w p r i c e i tm a k e s t h e d e s i g n o fm u l t i m e d i a i n t e l l i g e n t b i - d i r e c t i o n a lt e a c h i n gs y s t e mb a s e do np l d s p o s s i b l e w i t ht h ee m p h a s i so nm a r k e t , n oe d a t e c h n o l o g y i sa p p f i e dt o t h em u l t i m e d i a t e a c h i n gs y s t e m b u tt h e m u l t i m e d i a i n t e l l i g e n t b id i r e c t i o n a lt e a c h i n gs y s t e mb a s e do nl a r g es c a l ep l d st h a tw e d e v e l o p e da c c o r d i n g t ot h e p r i n c i p l e “c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t , d i s p e r s ee m p l o y m e n t n o to n l yb o o s t su p t h ed e p e n d a b i l i t y , r e d u c e s t h ev o l u m e , d e c r e a s e st h e c o s t , b u t a l s om a k e st h e u p g r a d es i m p l e s o d e v d o p i n g t h i s p r o d u c t h a sn i c e f o r e g r o u n d i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fm u l t i m e d i a i n t e l l i g e n tb i - d i r e c t i o n a l t e a c h i n gs y s t e mb a s e do nl a r g es c a l ep l d si sa c c o m p l i s h e d t h i s 当奎查兰鎏圭兰i i 垒至兰 一i - _ _ _ _ l - i l - i _ _ - i _ l _ _ l l - ii - _ i l l l - _ 。_ 。一 s y s t e m h a sm u c hf u n c t i o n ，s u c ha st e l e c o n t r o lp l a y , t e l e t e a c h i n g , v i d e oo r d e rp r o g r a m m e ，t vc o n f e r e n c e ，d e m o n s t r a t e dt e a c h i n g , a n d s o o n b e c a u s eo ft h e s w e e p i n gd e s i g n ，“u p - d o w n m e t h o d i s a d o p t e d t h ew h o l ed e s i g n i sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ：t e r m i n a l c o n t r o l l e r , a p p a r a t u s c o n t r o l l e r , c e n t r a l c o n t r o h e ra n d a p p f i e d s o f t w a r e a l a r g e s c a l ep l da n das p o to fp e r i p h e r a lc i r c u i t s c o m p l e t e t h ef u n c t i o no ft h ec e n t r a lc o n t r o f l e n i te m b o d i e s a d e q u a t e l y t h e a d v a n t a g e o f l a r g e s c a l ep l d s t h e i m p l e m e n t o ft h i s p a r t i st h eh a r dc o r ea n df e a t u r eo f t h i sp a p e l t oe n s u r et h eh i g hd e p e n d a b i f i t y , m u c hm e a s u r ei st a k e n ： e m p l o y i n gh i g hd e p e n d a b i l es p e c i a l r e s e tc i r c u i t sa n dw a t c h d o g c i r c u i t s ；t h e c o n t r o l p a r t a n dt h et r a n s m i f i o n p a r t a r e p h o t o e l e c t r i c - i s o l a t e d a n dh a v e s e p a r a t ep o w e rs u p p l y ； e l i m i n a t i n gd i t h e r i n go fp r e s sk e y i na d d i t i o n ，b e c a u s et h ec e n t r a l c o n t r o l l e ri st h eh a r d c o r ep a na n dd e c i d e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e w h o l es y s t e m ，w et a k et h ef o l l o w i n gm i s u r e ：o ：) m a k i n gu s eo ft h e l a r g es c a l ep l de p f l 0 k 2 0 ；c h e c k i n gt e c h n i q u ea n do v e r r u n j u d g m e n t i sa d o p t e db e t w e e nc e n t r a lc o n t r o l l e ra n dt h eo t h e rt h r e e p a r t s ；p r e a r r a n g i n g a l lu s e l e s ss t a t e se x i s t e d p o s s i b l y i n 当奎奎兰翌圭兰垒笙兰 e p f l 0 k 2 0 ；s i m u l a t i n g a v o i d sb u r r st h a t m a yc a u s ew r o n g s t r i k i n g ：c e n t r a l c o n t r o l l e rc a l l st h e w o r k i n g t e r m i n a lc o n t r o l l e r s t i m ea f t e rt i m e ，w h i c he n s u r e st h ec o m m a n di sd i s p o s e dc o r r e c 坶 a n di ng o o dt i m e t h es o f t w a r em e a s u r ei sm a i n l y ：c h e c kt e c h n i q u ei sa d o p t e d b e t w e e nc e n t r a lc o n t r o l l e ra n dt h eo t h e rt h r e ep a r t s ；c e n t r a l c o n t r o h e rc a l l st w i c et h e w o r k i n g t e r m i n a lc o n t r o l l e r s ，w h i c he n s u r e s t h ec o m m a n d i sd i s p o s e d c o r r e c t l y a n di ng o o dt i m e i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , is u m m a r i z e dt h et y p i c a lp r o b l e m s a n dr e s o l v e sd u r i n g d e s i g n i n g t h ef u n c t i o nm o d u l eo f p r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ( p l d ) ，w h i c hm a y c o n t r i b u t et oo t h e r d e s i g n o f p l d w i t ht h ew o r k o n ，ih a v eb e e ng e t t i n gm o r ea n dm o r ef a m i l i a r w i t hp l d s ，e d at o o l s ，a n ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o o p e r a t i v e d e s i g nc i r c u m s t a n c ea n dd e s i g nm e t h o d o l o g y a l lt h e s ep r o v i d et h e f o u n d a t i o nf o r s u b s e q u e n t w o r k k e y w o r d s ：e d ap l dh d l m u l t i m e d i a t e a c h i n gs y s t e m 当銮查主鎏圭兰垒兰苎 一一 符号说明 a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t ec i r e u i t s ) ：专用集成电路 c a d ( c o m p u t e r a i m e dd e s i g n ) ：计算机辅助设计 c a e ( c o m p u t e r a i m e d e n g i n e e r i n g ) ：计算机辅助工程 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) ：复杂可编程逻辑器件 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) ：电子设计自动化 e d i f ( e l e c t r o n i c d a t a i n t e r c h a n g ef o r m a t ) ：电子数据交换格式 f c d a ( f u l l - c u s t o md e s i g na p p m a e ”：全定制设计方法 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 ) ：现场可编程门阵列 g a l ( g e n e r i c a r r a y l o g i c ) ：通用阵列逻辑 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 ) ：硬件描述语言 i c r ( i n - c i r c u i tr o n f i g u r a b w t y ) ：在线可重配置 i s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) ：在系统可编程 l a b ( l o g i ca r r a yb l o c k ) ：逻辑阵列块 l m c ( l o g i c m a c r o c e n ) ：逻辑宏单元 l p m ( l i b r a r y o f p a r a m c t e r i z e d m o d u l e s ) ：参数模块库 p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) ：可编程阵列逻辑 p r o m ( p r o g r a m m a b l e r e a d - o n l ym e m o r y ) ：可编程只读存储器 8 当奎查兰堡圭兰垒笙兰 p l a ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) ：可编程逻辑阵列 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ：可编程逻辑器件 s c d a ( s e m i - c u s t o md e s i g na p p r o a c h ) ：半定制方法 s o c ( s y s t e m o na c h i p ) ：片上系统 v h d l ( v e r yh i g hs p e e d i ch a r d w a r ed 器c 却妇l a n g u a g e ) ： 超高速集成电路硬件描述语言 v l s i ( v e r yl a r g e s c a l e i n t e g r a t ec i r c u i t ) ：超大规模集成电路 当奎奎堂堡圭主竺兰銮 一 第一章引言 陆黼自进步人糌已抄冽高度劣哒的信息“澈会，曾萨品q 性 能不断提高，复杂度不断增大，更新换代的步伐也越来越快，实觋这种进步的主 要原因是生产翩遘蝴电子设计技术的发展。前者的豳c 堤撒电子技术，以微 细加工技术为代表，目前已发展至懒跚渤阱彩t 段，可以在n l 平方厘米的芯片上集 成数千万个晶体管：后者的核心是e d a 捌t ，e d a 技术是以讨奠i 朝为工作平台， 融合了应用电子技术、计算朝蟊沭、智能化拱沭的成果硼讳师碱的电子c a d 通 用软件包，主要辅助进行三万面的设计工作：i c 设计，电子电路设计以及p c b 设计。离开了e d a 技术的支持完成超大规模集成电路的设计制造将交得十分困 难，反j 丑来，生产制造技术的不断进劳更促进了e d a 技术的不断发展，微电子 技术和e d a 技术已成为现代电子技术发展中令人瞩目的两个热点。 在信息化社会中，数字集成电路得到了广泛的应用，如信息高速公路、多媒 体电脑、移动电话系统等各种自动化设备都用到数字集成电路。数字集成电路已 从早期的电子管、晶体管、小规模集成电路( s 衄) 、中规模集成电路( i v i s i ) 、 大规模集成电路( l s i ) 发展至情秽穗嘴集成电路( v l s i ) 以及许多具有特定功 能的专用集成电路( a s i c ) 。随着v l s i 技术的发展，可编程逻辑器件c p l d f p g a 越来越受到人们的青睐。由于它们具有集成度高、速度快、开发周期短、 费用低、用户可定义功能及可骇编程和擦写等许多优点，其应用领域不断扩大。 可编商璎肆器件的灵活性和通用性使得它们已成为研制和开发复杂数字系统的理 10 当奎奎耋罂圭兰竺兰銮 一 想选择。 随着我国电化教育水平的不断提高，各剩唪拍蝇学资荆圾鹅 体( 如录l 象带、 v c d 、计算机软件、各种图文资料、网络资料) 日益丰富，给教育提供了丰富的 教糊奄源。蝴 2 旃啉以其觇n 斤相缔台托如秣越教学f 言息，捌观野、开 石视 力、发展思维、强化记忆等方面已被证明有着明显的效果。校园闭路电视彭浮啄 统作为种觋代化的教学手段，以其价格便宜、安装方便、直观生动等优点而得 到广泛应用。 多媒体智能双向教学系统的应用使得教i l 同在课堂中根据教学内容和教学过 程的需要，非常简单地、随意嫩对播放中心各种节目源设备进行远距离遥控，把 本教室电洮f 啪澈内容的控射阪真正交付给授课教师。这样就充分利用了各种资 源，让教师杏箍暂的课堂教学e 方便、灵活j 鱼睦凋各种媒体及资料，丰富教学内 容，提高教学效率，激发学生学习的积极性。 本次研制的多媒体智能双向教学系统就是基于以e 思路开发的套纯硬件构 架的系统。 本课题首先要掌握e i ) a 和可编程逻辑器件的相关知识，学习使用v t h ) l 进 行诲 计，邂要全面了解多媒懒的体j 淫构。要完成的任务是使用v i - i d l 以 可编程逻鞠器件为载瓣黄减多媒体智能双向教学系统中中峡撼嗡凛瘌通信、显示、 键盘控制等相关外围模块的硬件设计。 上i 达兰墨圭兰竺鎏兰 一 _ - _ _ - i _ - _ _ - l - _ l _ _ _ _ - _ l l _ l _ _ l _ - 。一 第- - ie d a 工程与可编程逻辑器件 随着半导体工艺水平的不断提高，单片可编程逻辑器件的集成规模洌几 百万等效门，憷撇电子系统集成于单价芯片上( s y s t e m o na c h i p - - - s o c ) 已成为可能，而用经典的电子设计方法完成逮洋的系统设计是很困难的a e d a 技术所具有的优点使得它迅速发展成为一门崭新的科学。 第一节e d a 的特征及发展 2 1 1e d a 的基本概念 e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g na u t o m a t i o n ) 即电子设计自动化技术，是种以计 算机为基本工作平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以及 工智能 学等多种计算机应用学科的成果开发出来的整套软件工具，是种帮助电子设 计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合技术。 2 1 2e d a 技术的煳筏受燃势 回顾近3 0 年电子设计技术的发展历程，可将e d a 技术分为三个阶段。 ? 七十年代为c a d 阶段，这阶段人们开始用计簧考嗡瞻h 进行i c 版图编辑和 p c b 布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。 八十年代为c a e 阶段，与c a d 相比，除了纯粹的图形绘常蚴能外，又增加 了电路动能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者掣罐啼e 起，以实 12 当变銮兰璧圭兰竺笙苎 一 现工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。c a e 的主要功能是：原理图 自入， 逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，p c b 后分析。 力十年代为e d a 阶段。尽管c a d i c a e 赫取艚了巨大的翩，但并没有 把八从繁重的设计工作中彻底张孜出来。在整个琵计i 丑程中，自动化和智能化程 度i 环高，各种e d a 软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不帮辞，直接 影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求贯彻整个设计过程的自 动化，这就是e d a 即电子设计自动化。 随着i n t e l 公司p e n t i u m 嬲自臼推出，x i l i n x ，a l t e r a 等公司j 1 十万门甚至 上百万门规模的f p g a 的上市，以及大规模的芯片组和高速、高密度印刷电路板 的应用，e d a 技术在仿真、时宁分析、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圃懒的巨大的挑战。这些问题实际地是新一 代e d a 技术未来发展的趋势。 2 1 3e d a 的基本特征 e d a 是当今电予 殳计技术的发展方向，它的基本特征是：设计人员按照”自 顶向下”的设计方法，对整个系统进行莉斡受；悸呦能趔 分，系统的关键电路用一 片或几片专用集成电路( a s i c ) 实现，然后采用硬件描述语言( h d l ) 完成系 绕行为级设计，最j 舌j 疆过崇皱兽汞鼯配器生成彰啪目标器件。逸洋的设计嘀法 被称为高层次的电子设计方法。下面介绍与e d a 基本特征有关的几个概念。 1 “自顶向下”的设计方法 1 3 当蛮奎兰鎏圭兰皇i 兰苎 一一 - _ _ _ _ _ _ l _ _ l _ - _ - - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ l i _ _ l _ _ _ l 。- - 一 经典电子设计的基本思路是选择嫡隹集成电路”自底向上”( b o 拉o m - u p ) 地 构造出个系统，这样的设计方法要求设计都愀电路非常了宿晕，而且设计中出 现的问惩瞄授件电路实珊竹勘睡敲发现，在出现问题后，需要重旁璀嗄疑刚串* 计， 因而开发周期长，效率较低。 高层次设计提供了种”自顶向下”( t o p - d o w n ) 的全新的设计方法，这种 设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能框图盼划分和结构设计。在方框 图级进行仿真、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 统级进行验证，然后用综合优化工具生成具体门级电路的网表，其对应的物理 实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调阍翘带堤在 高层次e 完成的，不仅有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费， 而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。图2 1 为系统 自动设计的自顶向下的流程图。 2 a s i c 设计 现代电子产品的复杂渡日益加深，个电子系绩河1 毙由赘晰中小规罄l 粜成 电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效 方法就是采用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e d t i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 芯片进行设计。 a s i c 按制造方法分，可分为全定制( f i i 一c 哪t o m ) 、半定制( s e m i - - c u s t o m ) 和可编程三类。全定制a s i c 的各层掩膜配圄黼定电路功能专门制造的。半 定制a s i c 的单元电路是用预制的门阵列做成的，只有芯片e 的接触孔、互连线、 通孔是按照电路的功自色专门设计带i 崦的。可编程a s i c ( 包括f p g a 、c p l d 等) 1 4 当奎奎主堡圭兰售丝苎 不需要钼m 难薛掏膜，用户可以用开发工具按照自己的设计羽司镉耀醌酬牾越哥亍编 程，以实现特定的功能。 图2 1 自顶向下的设计流程图 a s i c 按照设计方法分，可分为全定制设计方法和半定制设计方法。 3 硬件描述语言 硬件音茬谜语言( h i ) l - h a r d w a r ed m c d p f i o nl a n g u a g e ) 是用于设计稠i 件电 子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结 - 1 5 - 当奎奎兰堡圭竺垒兰兰 一 梅胀墼搠斌，是暂弼翰硎帮妫描述、结 勾 l 髓和；黝黼描嘲臼语言，与传 统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。 早期的硬件描述语言是由不同的z d a 厂商开发的，互相不兼容，而且不支 持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上缺陷，1 粥5 年美