基于FPGA╲╲CPLD最小系统PCB的制作.doc

基于FPGACPLD最小系统PCB的制作基于FPGACPLD最小系统PCB的制作电子信息科学与技术专业：何胜军指导教师：郭杰荣摘要：基于FPGACPLD最小系统PCB的制作是通过PROTEL软件来实现的。本文讲述的是利用在1999年，PROTEL公司推出的新一代电子线路设计系统PROTEL99软件来绘制完整的最小系统电路原理图，并进行电气规则检测、生成网络报表以及对PCB进行布局、布线、工艺流程，制作出最小系统EDA的双面PCB。EDA最小系统具有系统控制、功能实现以及结果显示的功能。本文是以ALTERA公司MAX7128S系列的EPM7128SLC84-15CPLD芯片为中心，利用外围的AT89C51单片机、按键开关、ROM、数码显示管来完成一个完整的EDA最小系统。关键词： FPGACPLD， PROTEL99， 双面PCB，最小系统Designing of the Minimum System PCB Based on FPGA CPLDElectronic and Information Science and TechnologyCandidate：He Sheng-JunAdvisor：Guo Jie-rongAbstract: A minimum system PCB which is based on FPGACPLD can be realized by using PROTELL99. This article tells us how to draw a complete circuit of a minimum system through using a new generation circuit design system-PROTEL99 which is released by PROTEL company in 1999, and makes out the double-side PCB by running the electrical check, generating netlist and placing, routing PCB and designing the technology process. EDA minimum system has functions including system control function realizing and result showing. This article is centered around on ALTERA companys chip EPN7128S2C84-15CPLD of the series of MAX7128S, and completes EDA minimum system with the use of AT89C51 single-chip microcomputer, keyboard switch and digit display. Keywords： FPGACPLD, PROTEL99, Double-side PCB, Minimum system 引言在电子竞赛设计中，可编程逻辑器件作为系统的控制核心已广泛应用。众所周知，在GAL基础上发展起来的高密度现场可编程逻辑器件FPGA(Field Programmable Gate Array)和复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）具有高集成度和高速度特性，因此，在嵌入式系统设计中使用FPGACPLD，可使设计的产品达到小型化、集成化和高可靠性。1 基于FPGACPLD最小系统设计本系统由显示、存储、控制、CPLD四个模块构成，其系统框图如图1所示。图1基于FPGACPLD最小系统框图从框图的结构我们可以大概了解其系统的工作流程：单片机（MCU）作为整个系统的控制核心将控制整个信号在系统中的流向。显示电路直接连在MCU上，这样，所有的显示信号都必须通过单片机来传递。单片机通过FPGACPLD模块完成与外围电路的连接，这里的存储器ROM就是通过CPLD与单片机相连，实现存储器的扩展。1.1设计要求1.设计基于FPGACPLD包括：由显示、存储、控制、CPLD四个模块构成的最小系统。2.制作基于FPGACPLD最小系统的PCB。3.进行必要的测试。2 方案确定由于本论文题目要求完成的是一个基于FPGACPLD最小系统PCB的制作，所以得从两个方面的角度来考虑。一方面从系统的角度考虑，课题要求必须完成控制、存储、显示等部分的电路；另一方面从PCB的制作的角度考虑，课题要求必须绘制出完整的电路原理图，并进行电气规则检测，还要生成网络报表以及最后做出双面PCB板。综合以上两个方面考虑，故有以下方案：用单片机和按键开关实现控制，用数码显示管实现显示，用ROM实现存储功能，而作为核心的FPGACPLD可以通过编程来实现各种功能电路。用Protel99软件来实现电路原理图，电气检查，网络报表以及最后PCB板的完成。3 单元电路的设计3.1 显示系统的设计如图2所示，显示电路是通过8个共阳极LED数码显示管组成。这部分电路通过单片机的串行通信口完成。51单片机通过引脚RXD和引脚TXD与LED通信1，2。图2静态数码管显示电路单片机的全双工串行口可编程为4种工作方式，这里正是采用工作方式0设计的8位静态数码管显示器。由于工作方式0是同步操作，可以通过外接串入并出或者并入串出器件实现I/O口的扩展，常用的器件为移位寄存器。工作方式0的工作特点是：输出：串行数据从RXD引脚输出，TXD引脚输出移位脉冲。CPU将数据写入发送寄存器时，立即启动发送，将8位数据以fos/12的固定波特率从RXD输出，低位在前，高位在后。发送完一帧数据后，发送中断标志TI由硬件置位。输入：先置位允许接收控制位REN。此时，RXD为串行数据输入端，TXD仍为同步脉冲移位输出端。当接收到第8位数据时，将数据移入接收寄存器。3.2 存储系统设计本模块采用的是M27512，这是一块864Kbit EPROM，管脚如图3所示。管脚说明：A0A15：16位地址总线；Vss:接地端；：片选信号输入端；Q0Q7：8位数据总线；Vpp:数据输出允许写芯片控制端。 Vcc:供电电压。图3M27512管脚图将16位地址总线A0A15和8位数据总线Q0Q7分别与EPM7128SLC84-15的IO口相连。同时将片选也连入CPLD，这样，M27512的所有控制都通过CPLD来完成，这样做可以极大提高使用的灵活性，对存储器的访问都是通过单片机和CPLD的编程来实现。3.3 控制开关根据系统的要求，需要为整个系统提供控制信号，这部分功能由按键开关来完成。这种开关为独立式按键，即每个按键单独占有一根I/O口线，每根I/0口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。如附图1所示：单片机的P1口现在空缺，同时由其P1口所定义的功能来看，正好可以去按键开关相连，由按键通过P1口提供输入信号。3.4 FPGACPLD模块本模块是系统的核心部分，我们可以通过编程改变FPGACPLD的结构，实现各种逻辑功能和实用电路。本系统采用的是ALTERA公司的EPM7128SLC84-15 CPLD。以下是EPM7128SLC84-15的一些基本参数：本CPLD是ALTERA公司MAX7000S系列的产品，基于CMOS EEPROM工艺，内部有2500个逻辑门，84个管脚，PLCC封装，其中有64个可供用户自由使用I/O管脚。支持ISP（In System Program）在系统编程，支持JTAG边带扫描，3.3V电压。图4是EPM7128SLC84-15的管脚图。本系统中的CPLD作为连接单片机与存储器的桥梁，根据EPM7128SLC84的管脚图采用该芯片的普通IO口（即没有定义为特殊功能端口的管脚）分别连接单片机的P0、P2口以及存储器，实现数据通信。值得注意的是PLCC封装形式的EPM7128SLC84-15四周都有管脚，如果要使用一方的管脚，则这一方的VCC和GND管脚必须接上电源和接地。本模块设计了6个时钟口，分别定义到2、69、70、74、80、83，其中2脚和83脚是全局时钟，即芯片内的所有逻辑门都受这两个时钟控制，可以实现始终同步。70和74脚外接50MHZ晶振， 2和69脚外接12MHZ晶振，通过开关选择从哪个脚输入。80和83脚与单片机的P3.5相连，可以实现定时器/计数器功能。其他IO口为系统资源预留做扩展之用34。图4 EPM7128SLC84-15的管脚图4 绘制电路原理图4.1 Protel99在电路设计中的应用随着计算机技术的发展，计算机软件在电路设计中的应用越来越广泛，OrCad，Protel等都是人们熟悉的常用EDA软件。本文将介绍Protel99在电路设计中的应用，包括电路原理图设计和印刷电路板设计以及设计过程中遇到的问题和解决方法5。4.2 Protel99组成及主要功能模块 1） Advanced Schematic99(电路原理图设计系统)，该模块是一个功能完备的电路原理图编辑器，主要用于电路原理图和元件设计和各种电路原理报表生成等。2） Advanced PCB99(印刷电路板设计系统)，该模块提供了一个功能强大和交互友好的PCB 设计环境，主要用于PCB板设计、元件封装设计、产生印制电路板的各种报表及输出PCB。3） Advanced Route99(自动布线系统)，该模块是一个完全集成的无网格自动布线系统，布线效率高，使用方便。4） Advanced Integrity99(PCB信号完整性分析系统)，该模块提供精确的板级物理信号分析，可以检查出串扰、过冲、下冲、延时和阻抗等问题，并能自动给出具体解决方案。5） Advanced SIM99（电路仿真系统），该模块是一个基于最新Spice3.5标准的仿真器，并与Protel99的电路原理图设计环境完全集成，为用户的设计前端提供了完整、直观的解决方案。6） Advanced PLD99（可编程逻辑器件设计系统），该模块是一个集成的PLD开发环境，可以使用电路原理图或CUPL硬件描述语言作为设计前端，全面支持各大厂家器件，能提供符合工业标准JEDEC的输出。4.3 原理图绘制的基本方法1.新建最小系统电路原理图文件。2.设置图纸和工作环境。3.装载元器件库。4.放置所需的元器件、电源符号等。5.元器件布局和连线。6.放置标注文字等进行电路标注说明。7.电气规则检测、线路、标识调整与修改。8.产生相关报表。9.电路原理图存盘及输出。5 印制电路板制作印制电路板（也称印制线路板，简称印制板）是指以绝缘基板为基础材料加工成一定尺寸的板，在其上面至少有一个导电图形及所有设计好的孔（如元件孔、机械安装孔及金属化孔等），以实现元器件之间的电气互连。5.1印制电路板的绘制流程1. 在上面已有电路原理图的情况下，确定各元件的封装，进行ERC校验，并生成网络表。绘制完原理图我们可以执行TOOLERC命令进行电气检查已确定原理图的电器连接的正确性。根据电气连接规则的检查，帮助完成系统设计方面的错误，完成系统电路原理图的设计。此设计电气检查报告如图5所示：图5 电气规则检测从原理图中生成网络表。绘制完原理图后，执行DESIGNCREATE NETLIST命令得到原理图的网络表。该报表显示出每个元器件在PCB中的封装形式，大小规格等基本信息。对于没有找到的这些基本信息的元器件，通过手工修改其基本信息即可。网络表如图6所示：图6 网络表2. 进入PCBSE，新建一个PCB文件，执行DesignOptions设置文档参数，由于是双面板，因此信号层选择Bottom Layer和top Layer。 3. 装入元件封装库ADVPCB.DDB。4.规划印制电路板，设置当前工作层设置为禁止布线层，执行菜单PlaceLine,在工作区绘制一个合适的矩形电路板边框。5.执行菜单DesignLoad Nets,载入网络表，在网络表无错误的情况下，单击【Execute】按钮，将元件放置到电路板中。6. 通过自动布局和手工调整，确定元件封装在电路板上的位置。元件布局是将元件在一定面积的印制电路板上合理地排放，它是设计PCB的第一步。一个好的布局，首先要满足电路的设计性能，其次要满足安装空间的限制，在没有尺寸限制时，要使布局尽量紧凑，减小PCB设计的尺寸，减少成本。7. 执行菜单ToolsInteractive PlacementMove to Grid，将元件移动到栅格上，提高布线质量和效率。8. 对印制电路板进行布线。布线和布局是密切相关的两项工作，布线受到布局、板层、电路结构、电性能要求等多种因素影响，布线结果有直接影响电路板性能。进行布线时要综合考虑各种因素，才能设计出高质量的PCB图。此时，通过FILENEW新建立一个PCB文件,通过DESIGNOPTIONS设置好此PCB为双面板。执行DESIGNLOAD NETS命令，选择刚才生成的网络报表文件，倒入到PCB文件中，得到PCB板的连线图，接着，根据要求放置好元器件布局。执行AUTO ROUTEALL自动布线命令，即可的到一张已经布好线的PCB如附图2和附图3所示。9.执行菜单ToolsDesign Rule Check,进行DRC检查，有错则进行修改。如图7。图7 设计规则检查10. 印制电路板手工修改。11. 产生结果并进行相关测试。12. 印制电路图输出，执行菜单FileSetup Print或单击工具栏上的打印图标，既可打印出印制电路图，如附图2和附图3所示。6 印制电路板制作生产工艺过程制造印制电路板最初的一道基本工序是将底图或照相底片上的图形，转印到敷铜箔层压板上。最简单的一种方法是印制蚀刻法，或称为铜箔腐蚀法， 图8为双面板图形电镀蚀刻法的工艺流程图。即用防护性抗蚀材料在敷铜箔层压板上形成正性的图形，那些没有被抗蚀材料防护起来的不需要的铜箔随后经化学蚀刻而被去掉，蚀刻后将抗蚀层除去就留下由铜箔构成的所需要的图形。一般印制电路板的制作要经过CAD辅助设计、照相底版制作、图