基于FPGA的数字电压表的设计与实现.doc

基基于于FPGA的的数数字字电电压压表表的的设设计计与与实实现现 DESIGN AND IMPLEMENTATION OF DIGITAL VOLTAGE METER BASED ON FPGA 专专 业 电子信息工程业 电子信息工程 姓姓 名 名 指指 导导 教教 师 师 申请学位级别 申请学位级别 学学 士士 论文提交日期 论文提交日期 学位授予单位 学位授予单位 摘摘 要要 数字电压表简称 DVM 是一种通过采用数字化测量技术 把连续的模拟量 直流输入电压 转换成离散的 不连续的数字形式 并将转化结果加以显示的 仪表 本设计研究的电压表主要的设计核心是 Xilinx 公司的 Vritex 4 FPGA 器件 主要分为下面几部分 数据处理模块实现 TVL571 数字量对应 BCD 码的变换和 处理 显示控制模块实现 LED 段码的产生 显示部分要求在三个七段数码管上 显示电压值 要求保留小数点后两位数字 软件要求用 ISE10 1 环境 用 VHDL 语言编写数字电压表各模块的功能并进行调试与下载到 FPGA 板上进行 验证 关键词 VHDL 数字电压表 FPGA A D Xilinx ISE10 1 ABSTRACT Digital voltmeter is a voltage measuring instruments that is referred to as DVM and it is most common in intelligent instruments DVM use digital measurement technology and make the continuous analog DC input voltage into discontinuous discrete digital form and display on LED or LCD The design of this voltmeter main core is the Xilinx s Vritex 4FPGA devices The voltmeter mainly divided into the following sections data processing module is mainly depend on the TLV571 and based on this AD realizing the transforming BCD between digital measurement dispay module realiazed the producing of the part code The voltmeter requires the ability to display the measured voltage value in three seven segment digital tube retaining two significant figures after the decimal point The software of the design is Xilinx company s EDA development environment ISE10 1 and using the VHDL language to write the function of the voltmeter s each module and debug Downloading the program to the the FPGA board to verify the result Key words VHDL volmeter FPGA A D Xilinx ISE10 1 22 目目 录录 目录页空着 我统一调整目录页空着 我统一调整 1 绪绪 论论 1 1 1 数字电压表的研究背景 1 1 2 数字电压表的的研究意义 1 1 3 国内外研究概况及应用前景 2 2 系统的软件开发环境系统的软件开发环境 4 2 1 XILINX公司的 ISE 工具软件 4 2 1 1 软件界面 4 2 1 2 设计流程 5 2 1 3 波形仿真流程 6 2 2 硬件描述语言 VHDL 7 2 2 1 VHDL 语言简介 7 2 2 2 VHDL 语言的特点优势 8 2 2 3 设计中用到的语言结构 8 3 系统的硬件组成系统的硬件组成 13 3 1 EDA 技术概述 13 3 2 现场可编程门阵列 FPGA 15 3 3 SEED XDTK V4 实验平台 19 3 3 1 Vritex 4 系列器件结构和特性 19 3 3 2 CPLD 功能模块 20 3 3 3 数码管 20 3 3 4 ADTLV571 模块 21 4 数字电压表的设计数字电压表的设计 24 4 1 系统的整体设计方案 24 4 2 模数转换控制模块 24 4 3 数字电压转 BCD 模块 25 4 4 数码管显示模块 27 4 5 管脚约束文件 28 5 数字电压表的实现数字电压表的实现 30 6 结结 论论 33 参考文献参考文献 34 致致 谢谢 35 附附 录录 36 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 1 1 绪绪 论论 1 1 数字电压表的研究背景数字电压表的研究背景 在 20 世纪 50 年代数字电压表开始出现在生活和研究的各个方面 它在 60 年代得到了发展和完善 数字电压表简称 DVM 其在智能仪器的使用中是极其 常见的 它将测量技术 指标数据化 把连续的输入转化为离散的数据量并加 以显示 此种电子仪表能够得以发展主要由以下两方面原因 一是因为电子计 算机的普及 电子化技术已经从研究领域逐渐过渡到应用领域 在生产生活的 各项研究中实现数据化 理论化 即为了实现数据控制的实时性和数据处理的 可靠性 另一方面 也是电子计算机的发展 带动了脉冲数字电路技术的进步 为数字化仪表的出现提供了条件 1 所以 电子计算机的发展为数字化测量仪 器的出现与发展提供了前提条件 同时 在如今低能耗 高效率的发展要求之 下 完善陈旧的结构成为了测量仪器的发展趋势 这也进一步的推进了数字测 量仪器的发展 同时 它也是机械化仪表向智能化仪表发展的必经之路 2 当下 传统的指针式电压表的市场已经被数字电压表所取代 由于传统的 模拟指针式电压表具有功能单一 精度低 读数不便利以及易出错等缺点 7 采用现场可编程门阵列即 FPGA Field Programmable Gate Array 为设计的系 统核心 是在当智能电子产品市场背景下所要求的必然趋势 系统最大限度地 将所有器件集成在 FPGA 芯片上 体积大大减小 集成度高 可靠性高 且逻 辑单元控制灵活度高 范围大 集成度高 可以尽可能的使大规模电路和超大 规模电路高精度的集成在芯片上 实现芯片的高效率 低功耗 因为其硬件系 统的功能是基于软件编程实现的 所以其灵活度高可在不改变原有电路的基础 上实现系统的升级 14 基于 FPGA 的数字电压表由于测量精度高 速度快 读 数时也非常方便 抗干扰能力强 可扩展性强等优点已被广泛应用于电子和电 工测量 工业自动化仪表 自动测量系统等领域 显示出强大的生命力 现在 数字电压表已经慢慢的发展成为便携式数字测量仪表中最具有代表性的测量仪 器之一 3 1 2 数字电压表的的研究意义数字电压表的的研究意义 随着现代化电子技术数据化进程的不断推进 数字电压表的功能越来越强 种类越来越多 其使用范围也在不断的拓进 智能化的数字仪器的普及也是未 来发展的必然方向 它们将不仅能将测量准确度提高 而且能完善电测量技术 的自动化程序 以此为基础可以对各种通用数字仪表 专用数字仪表及各种非 电量的数字化仪表 如 温度计 湿度计 酸度计 重量 厚度仪等 几乎覆 盖了电子电工测量 工业测量 自动化仪表等各个领域 18 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 2 采用单片机作为系统的控制核心 输入信号经 A D 转换后送到单片机进 行数据处理 根据电压信号的不同计算出相应的数值 并将结果显示出来 这 种基于单片机的设计的优点是单片机技术成熟度高 设计成本也较低 编程灵 活度高 运算功能性较强 能较准确地测量输入电压 由于在单片机系统中必 须使用许多独立元件连接成整体的外围电路 这就使得整个系统变得复杂度高 抗干扰能力差 可靠性较低 而且功耗高 目前 由于 FPGA 技术具有快速的 数据处理能力所以其被广泛应用于信号的处理和控制等相关领域 最近成功研 制了一种高速数据采集系统 这种系统将 FPGA 与 AD 转换器相结合 AD 转 换器的型号为 ADC083000RB 具有 8 位双 LVDS 分辨率 3GS s 采样频率为 3GHz 带宽 用于对超高速瞬态信号进行计数 用 VHDL 语言编程 这个系统 可以对脉宽为 1 10 和 3GHz 的瞬态信号进行测量和计数 在这项工程中 PD 信 号由模拟发生器充当 所有的计数由 FPGA 实现无需使用示波器 由于其计数 频率显示在 LCD 屏上 FPGA 可以成为一种高度移动的便携检测仪 20 基于 FPGA 的数字电压表的设计其硬件功能完全由软件编程实现 修改调试方便 在不改变原有电路的基础上便可实现系统升级 克服了用单片机设计系统的缺 点 17 1 3 国内外研究概况及应用前景国内外研究概况及应用前景 科学技术的快速发展为测量仪表 仪器的出现提供了可能性 并且为此提 供了新的原理和新的技术支持 新型的元 器体也应运而生 与此同时对测量 仪表的要求有了更高更新的要求 数字电压表 也称之为 DVM 是以计算机技术 电子技术 精密测量技术和自动化技术为基础逐渐产生和发展起来的 8 数字式仪表是一种可以把连续的被测量自动地变成不连续的 用数字编码 方式表示的 并以十进制数字的形式自动显示测量结果的测量仪表 这是一种 新式的测量工具 这种工具通过将计算机技术 电子技术以及自动化技术的研 究成果与精密电测量技术密切的结合在一起而成为仪表 仪器领域中独树一帜 的一个分支 16 1952 年 美国的 NLS 公司第一个发明了四位的数字电压表 从以前到现 在的的几十年中一直在进行不断的革新与改进使其功能日趋完善 电压表是以 电位差计的自动化考虑为基础研发成功的 从以前只能显示四五六位而逐渐发 展到现在能在数码管上显示七八位的结果 开始是一 二种简单的工作原理渐 渐发展到现在几十种复杂的原理 从最初使用电子管和继电器发展到现在用全 晶体管化 集成电路化 微处理器化的器件 由一台数字电压表只能局限的测 量一 两种参数到如今能大范围的测十几种参数的多用型 显示器件也从辉光 数码显示发展 到等离子体 发光二极管 液晶显示等 电压表的体积和功耗变 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 3 得越来越小 重量也在不断地减轻 价格也在渐渐地下降 可靠性也越来越高 量程范围越来越大 19 总结一下电压表的发展历程 大概可以分为以下三个阶段 数字化阶段 从 50 到 60 年代的中期 电压表通过运用各种原理来实现模拟量与数字量之间 的变换 就是通过将模拟量转化成数字量来实现测量仪表的数字化 高准确度 阶段 随着精密电测量准确度要求的越来越高 电压表的测量精度也在不断的 提高 测量位数的范围也在不断的拓展 因此出现了一种以此为基础的复合型 原理的新型仪表 智能化阶段 在 60 年代的末期 电子技术和工艺结构的发 展都有了标志性的成就 此时计算机技术与大规模的集成电路 LSI 相结合的产 物微处理器也应运而生 1972 年 美国的英特尔公司首第一个发明微处理器不 久就研发出微处理器式数字电压表 从而实现了电压表的数据自动化处理与可 编程序的功能 由于带有存储器并使用相关的软件 因此可以对信息进行处理 也可以通过标准接口组成自动测试系统 也称之为 ATS 这些仪表除了实现了 原有的电压表的各种功能外 还能够自动检测鱼校验 保证了自动测量度的准 确性 实现了仪表和仪器所说的 智能化 如今 智能化仪表发展的非常迅猛 在智能仪表中尤其以微处理式电压表所占的百分比最多 4 各种物理量的动态 测量的希望由于智能化电压表的出现也越来越明朗 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 4 2 系统的软件开发环境系统的软件开发环境 2 1 Xilinx 公司的公司的 ISE 工具软件工具软件 XILINX 公司是全世界领先的能都同可编程逻辑完整解决方案的厂家 同 时也研发 制造并销售应用范围十分广泛的软件设计工具 高级集成电路还有 定义系统级功能的 IP Intellectual Property 核 从前到现在 一直为 FPGA 技术 的发展做出了巨大的贡献 同时 XILINX 的开发工具也一直在不断地升级 由 前期研发的 Foundation 系列也逐渐地发展到现在的 ISE9 1i 系列 融合了 FPGA 所需要的所有功能 其主要特点主要包括下面几部分 包含了 XILINX 新型 Smart Compile 技术 同时可以将实现的时间缩减到原来的 2 5 倍 并且可以在 最短的时间内提供最高的性能 提供了一个功能十分强大的设计收敛环境 全 面支持 Virtex 5 系列器件 业界第一款 65nmFPGA 集成式的时序收敛环境对 轻松地快速地识别 FPGA 设计的瓶颈有了很明显的帮助 能节省一个或多个速 度等级的成本 并且能在逻辑设计中把总成本降到最低 Foundation Series ISE 界面清晰 简单且易操作 再加上 XILINX 的 FPGA 芯片在市场上占有很大的市场 因此成为市场上最通用的 FPGA 工具软 件也理所当然 ISE 作为高效的 EDA 设计工具集合 与第三方软件结合可以 扬长补短 其软件功能也越来越强大 也因此为用户提供了更加丰富的 XILINX 平台 2 1 1 软件界面 图 2 1 软件界面 图 2 1sources 窗口中可以查看所用的芯片型号类型 顶层文件 还可以通 过点击右键来创建新的文件类型如仿真波形或是 IP 核等 sources 的类型有三 种分别为 Implementation behavioral simulation post route simulation process 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 5 窗口可以实现综合 编辑管教约束文件 下载 bit 文件 下载等功能 2 1 2 设计流程 设计中常用的四个操作 综合 实现 生成 bit 文件 下载 ISE 的功能主要分为设计输入 综合 仿真 实现和下载几个部分 涵盖 了 FPGA 开发的全过程 从功能上讲 其工作流程不需借助任何的第三方 EDA 软件 规规划划和和预预算算 创创建建代代码码原原理理图图H HD DL L R RT TL L仿仿真真 综综合合以以创创建建网网表表 功功能能仿仿真真 实实现现 翻翻译译 映映射射 布布局局和和布布 线线 得得到到时时序序收收 敛敛 时时序序仿仿真真 产产生生比比特特 流流文文件件 配配置置F FP PG GA A 图 2 2 设计流程 设计输入 ISE 提供的设计输入工具包括用于 HDL 代码输入和查看报告 的 ISE 文本编辑器 The ISE Text Editor 用于原理图编辑的工具 ECS The Engineering Capture System 用于生成 IP Core 的 Core Generator 用于状态机 设计的 State CAD 以及用于约束文件编辑的 Constraint Editor 等 综合 ISE 的综合工具不仅包含了 XILINX 自身提供的综合工具 XST 与 此同时还内嵌了 Mentor Graphics 公司的 Leonardo Spectrum 和 Synplicity 公司 的 Synplify 实现无缝链接 仿真 ISE 工具本身自带了一个具有图形化波形编辑功能的仿真工具 HDL Bencher 同时又提供了使用 Model Tech 公司的 Modelsim 进行仿真的接口 实现 这个功能包括了翻译 映射 布局布线等几部分 还具备了时序分 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 6 析 管脚指定以及增量设计等高级功能 下载 下载功能包括了 BitGen 可以将布局布线后的设计文件变换为位流 文件 还包括了 ImPACT 其功能是将设备进行配置与通信 控制将程序烧写 到 FPGA 芯片中去 使用 ISE 进行 FPGA 设计的各个过程可能涉及到的设计工具如表 2 1 所示 表 2 1 ISE 设计工具表 设计输入综合仿真实现下载 HDL 文本编辑器 ECS 原理图编辑器 STATE 状态机编辑 器 XST FPGA Express Synplify Lenardspectrum HDL Bencher Model Sim Translate MAP Place and Route Xpower BitGen IMPAC T 2 1 3 波形仿真流程 图 2 3 新建一个波形文件 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 7 Processes窗口 图 2 4 实现行为仿真 如图 2 3 所示 在 sources 窗口中按右键创建一个波形文件 选择所需要仿 真的 VHDL 文件 创建完成后即为图 2 4 中的第一张图 在 souces 窗口切换到 行为仿真 选择刚才创建的波形文件进行行为仿真 在 process 窗口中点击 simulation behavioral model 右键选择属性将仿真时间与建立波形的时间的设成 一样的 2 2 硬件描述语言硬件描述语言 VHDL 2 2 1 VHDL 语言简介 VHSIC Very High Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language 是由美国的国防部提出的一种新型的 HDL 产生于 1981 年 其目 标是一个使电路文本使他人理解的一种标准 其主要功能是为了让他人所理解 采用文本描述的设计 同时作为模型语言 可以采用软件来进行模拟操作 1986 年 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers 全力进行予以 VHDL 标准化的工作 经过了多次的修改和扩充 在 1987 年底 VHDL 语言被 IEEE 和美国国防部宣布成为为标准硬件描述语言 1988 年 Milstd454 规定所 有为美国国防部设计的 ASIC 产品一定要采用 VHDL 来进行描述 1993 年 IEEE 又对 VHDL 进行了再次的修订 从更高的抽象层次和系统描述能力上扩 展 VHDL 的内容 加入了支持模拟描述及数 模混合描述的语言功能 使其成 为了一种标准的混合型的硬件描述语言 公布了新版本的 VHDL 即 IEEE 标准 的 1076 1993 版本 1996 年 IEEEl076 3 成为 VHDL 综合标准 如今 作为 硬件描述语言之一的 VHDL 语言成为 EDA 工具开发商和集成电路制造商所一 致认可和推广的标准硬件描述语言 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 8 2 2 2 VHDL 语言的特点优势 VHDL 语言可以成为标准并且得到广泛的应用 肯定有它自身一定的主要 优势 或者说是与众不同的特点 具有强大的功能和灵活性特点 VHDL 语 言语言结构功能十分强大 复杂的逻辑控制可以用最简单明确的语言来描述 独立于任何器件的设计 设计人员使用 VHDL 语言进行硬件电路的设计时 可以脱离此项设计的逻辑器件来进行设计 这样 设计人员就能花费大量的时 间与精力来进行设计的构思 可进行程序的移植 VHDL 语言的移植能力是 允许设计人员对需要综合设计描述来进行模拟 在综合前对一个数千门的设计 描述进行模拟能省下很多的时间 因为 VHDL 语言是一种标准化的硬件描述语言 因而同一个设计的 VHDL 语言描述能被不同的 EDA 工具所支持 从而使得 VHDL 语言程序的移植成为 可能 性能评估能力 不依靠器件的设计和可以进行程序移植的特点允许设 计人员可以使用不同的器件结构和综合工具来对自己的设计进行综合评估 易于 ASIC 移植 VHDL 语言高效率的重要表现之一就是假如设计人员的设计 是被综合到一个 CPLD 器件或 FPGA 器件 那么就可以使设计的产品以最快的 的速度上市 当产品的数量达到很大的规模时 采用 VHDL 语言可以很容易地 帮助设计人员实现转成 ASIC 的设计 VHDL 语言具有标准 规范 易于共 享和复用的特点 VHDL 语言的语法标准 规范且可读性非常强 因为 VHDL 语言是一种 IEEE 的工业标准硬件描述语言 具有严格的语法规范和统一的标 准的特点 所以它可以使设计人员之间进行交流和共享 14 2 2 3 设计中用到的语言结构 1 调用库 LIBRARY IEEE USE IEEE STD LOGIC 1164 ALL USE IEEE STD LOGIC ARITH ALL USE IEEE STD LOGIC UNSIGNED ALL 2 实体 ENTITY 实体名 IS PORT 端口表 END ENTITY 实体名 以本设计中的程序为例如 entity volmeter is port clk in STD lOGIC int in STD lOGIC 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 9 dati in STD lOGIC VECTOR 7 downto 0 wr rd cs out STD lOGIC reset in STD lOGIC scan out STD lOGIC VECTOR 2 downto 0 dato out STD lOGIC VECTOR 7 downto 0 end volmeter 3 结构体 ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS 说明语句 BEGIN 功能描述语句 END ARCHITECTURE 结构体名 4 端口声明 PORT 端口名 端口模式 数据类型 端口名 端口模式 数据类型 以本设计中的程序为例如 port clk in STD lOGIC int in STD lOGIC dati in STD lOGIC VECTOR 7 downto 0 wr rd cs out STD lOGIC reset in STD lOGIC scan out STD lOGIC VECTOR 2 downto 0 dato out STD lOGIC VECTOR 7 downto 0 5 自定义数据类型如 type state is s0 s1 s2 s3 signal sta led sta state 6 简单的赋值语句 赋值目标 表达式 如 scan 连接端口名 如 u0 lpm rom0 port map address address l clock qclk q data l 15 downto 8 8 元件声明 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 10 COMPONENT 元件名 IS PORT 端口名表 END COMPONENT 元件名 如 component lpm rom0 port address in std logic vector 5 downto 0 clock in std logic q out std logic vector 7 downto 0 end component 9 process 进程语句结构 进程标号 PROCESS 敏感信号参数表 IS 进程说明部分 BEGIN 顺序描述语句 END PROCESS 进程标号 如 process clk clkcount begin if clk event and clk 1 then clkcount clkcount 1 end if qclk clkcount 3 end process 进程说明部分可以包含数据类型 常数 变量 属性 子程序 15 在一个结构体中可以包含任意个进程语句结构 所有的进程语句都是并行 语句 而由任一进程 PROCESS 引导的语句 包含在其中的语句 结构属于顺序语 句 进程的特点 PROCESS 为一无限循环语句 PROCESS 中的顺序语句具有明显的顺序 并行运行双重性 进程必须由敏感信号的变化来启动 进程语句本身是并行语句 信号是多个进程间的通信线 一个进程中只允许描述对应于一个时钟信号的同步时序逻辑 10 case 语句 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 11 CASE IS WHEN WHEN WHEN OTHERS END CASE 原则 1 完全性 表达式所有可能的值都必须说明 可以用 others 2 唯一性 相同表达式的值只能说明一次 如 case led sta is when s0 scan 001 hexd 0 led stascan 010 hexd 0 led stascan 100 hexd 0 led stascan 000 hexd 00000 led sta s0 end case 11 if 语句 有四种形式 1 IF 条件句 THEN 顺序语句 END IF 2 IF 条件句 THEN 顺序语句 ELSE 顺序语句 END IF 3 IF 条件句 THEN 顺序语句 ELSIF 条件句 THEN 顺序语句 ELSE 顺序语句 END IF 4 IF 条件句 THEN IF 条件句 THEN 顺序语句 END IF 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 12 END IF 如 if clk event and clk 1 then clkcount clkcount 1 end if 12 信号与变量赋值语句功能的比较 表 2 2 信号与变量赋值语句功能的比较表 信号 SIGNAL变量 VARIABLE 基本用法用做电路内的信号连线用作进程中局部数据存储单元 适用范围适用于整个结构体内的任何地方只能在所定义的进程中使用 行为特性在进程的最后才对信号赋值立即赋值 定义信号 SIGNAL 信号名 数据类型 初始值 如 signal data std logic vector 7 downto 0 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 13 3 3 系统的硬件组成系统的硬件组成 3 1 EDA 技术概述技术概述 电子设计自动化 Electronic Design Automation 也称之为 EDA 因为它是一 门才逐渐发展起来的新型技术 涉及方面非常广泛 内容十分丰富 理解也有 所不同 所以如今还没有一个准确的定义 但是从 EDA 技术的几个重要方向的 内容来看 可以这样理解 EDA 技术的设计载体是大规模可编程逻辑器件 系 统逻辑描述的主要表达方式是硬件描述语言 设计工具是计算机大规模可编程 逻辑器件的开发软件及实验开发系统 通过相关的开发软件 自动完成采用软 件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术 同时能实现逻辑编译 逻辑 化简 逻辑分割 逻辑综合及优化 逻辑布局布线 逻辑仿真等功能 完成对 于一些特定目标芯片的适配编译 逻辑映射 编程下载等操作 最终形成集成 电子系统或专用集成芯片 5 EDA 技术是以计算机 集成电路 电子系统的设计为基础逐渐发展起来的 到现在已有 30 多年的历史 大概可以分为三个发展阶段 1970 年的 CAD 计算 机辅助设计 阶段 这一阶段的主要特征是利用计算机辅助来进行电路原理图的 编辑 用 PCB 来布铜布线 这样就可以使设计师从传统的高度重复繁杂的绘图 劳动中解脱出来 1980 年的 QAE 计算机辅助工程设计 阶段 这一阶段的主要 特点是核心为逻辑摸拟 定时分析 故障仿真 自动布局布线 着重解决电路 设计的功能检测等主要问题 使设计能在产品制作之前预知产品的功能与性能 1990 年是 EDA 电子设计自动化 阶段 这一阶段的主要特点是高级描述语言 系统级仿真和综合技术 采用 自顶向下 的设计理念 将设计前期的许多高层 次设计由 EDA 工具来完成 EDA 即为电子技术设计自动化 是一种可以帮助人们进行设计电子电路或 是系统的软件工具 在电子产品的各个设计阶段该工具可以发挥非常重要的作 用 使设计更复杂的电路和系统有了希望 在原理图设计阶段 可以使用 EDA 中的仿真工具来验证设计的正确性 在芯片设计阶段 可以使用 EDA 中的芯片 设计工具设计制作芯片的版图 在电路板设计阶段 可以使用 EDA 中电路板设 计工具设计多层电路板 尤其是支持硬件描述语言的 EDA 工具的出现 使得复 杂数字系统设计自动化也有可能实现 只要数字系统的行为用用硬件语言描述 正确 就能对该数字系统的芯片进行设计与制造 21 世纪将会是 EDA 技术的 高速度的发展时期 EDA 技术也将对 21 世纪产生重大的影响 6 硬件描述语言 硬件描述语言 HDL 是一种用于进行电子系统硬件设计的计 算机高级语言 电子系统的逻辑功能 电路结构和连接形式是通过软件设计的 方法来描述的 常用硬件描述语言有 HDL verilog 和 VHDL 语言 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 14 如今 EDA 技术的发展十分迅猛 应用相当广泛 EDA 的应用涵盖机械 电子 通信 航空航天 化工 矿产 生物 医学 军事等各个领域 当下 EDA 技术广泛使用在产品设计与制造 教学和科研部门 且发挥着非常大的作 用 在产品设计与制造方面 EDA 技术可实现前期的计算机仿真 系统级模拟 及测试环境的仿真 PCB 的制作 电路板的焊接 ASIC 的设计等 在教学方 面 高校电子类专业的实践教学中 几乎所有理工科 尤其是电子信息 类的高 等院校都开设了 EDA 相关的 课程 其目的主要是为了可以让学生充分了解 EDA 的基础概念和基本原理 掌握描述系统逻辑的方法 进行电子电路课程时 可以使用凹 ID 5PGA 器件进行模拟仿真实验 并在作毕业设计时进行简单易 操作的电子系统的设计 既使实验设备或设计出的电子系统具有可靠性高 比 较经济 速度快 实现比较容易 便利的修改条件 同时又可大大地增强学生 的实践动手能力 发掘学生的创新能力和提高学生的计算机应用能力 为以后 的工作打下基础 全国每两年举办一次大学生电子设计竞赛活动是最具有代表 性的 在科研和新产品开发方面 小批量产品的芯片或大批量产品的芯片前期 开发可以采用 5PGA 在传统机电产品的升级换代和技术改造 5PGA 的应用 能使传统产品的性能提高 体积缩小 技术含量和产品的附加值提高 5PGA 进行电路设计与仿真的工具为电路仿真工具 EWB 或 PSPICE VLOL 等 利用 虚拟仪器进行产品调试 将 O LI FPGA 器件的开发应用到仪器设备中 例如在 CDMA 无线通信系统中 所有移动手机和无线基站都工作在相同的频谱 为区 别不同的呼叫 每个手机有一个唯一的码序列 CDMA 基站必须能判别这些 不同观点的码序列才能分辨出不同的传呼进程 这一判别是通过匹配滤波器的输 出显示在输人数据流中探调到特定的码序列 FPGA 能提供良好的滤波器设计 而且能完成 DSP 高级数据处理功能 因而 FPGA 在现代通信领域方面获得广 泛应用 在产品设计与制造方面 从高性能的微处理器 数字信号处理器 一 直到彩电 音响和电子玩具电路等 EDA 技术不单是应用于前期的计算机模拟 仿真 产品调试 而且也在电子设备的研制与生产 电路板的焊接等方面有着 重要的作用 可以说电子 EDA 技术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持 EDA 技术在进入 21 世纪后 由于更大规模的 FPGA 器件的不断推出 在 仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的 EDA 软件不断更新 增 加 使电子 EDA 技术得到了更大的发展 电子技术全方位纳入 EDA 领域 EDA 使得电子领域各学科的界限更加模糊 更加互为包容 突出表现在以下几 个方面 使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能 基于 EDA 工具的 ASIC 设计标准单元已涵盖大规模电子系统及 IP 核模块 软 硬件 IP 核在电子行业的产业领域 技术领域和设计应用领域得到进一步确认 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 15 soc 高效低成本设计技术的成熟 随着半导体技术 集成技术和计算机技术的迅 猛发展 电子系统的设计方法和设计手段都发生了很大的变化 可以说电子 EDA 技术是电子设计领域的一场革命 传统的 固定功能集成块十连线 的设计 方法正逐步地退出历史舞台 而基于芯片的设计方法正成为现代电子系统设计 的主流 作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和掌握这一先 进技术是势在必行 这不仅是提高设计效率的需要 更是时代发展的需求 只 有掌握了 EDA 技术才有能力参与世界电子工业市场的竞争 才能生存与发展 随着科技的进步 电子产品的更新日新月异 EDA 技术作为电子产品开发研制 的源动力 已成为现代电子设计的核心 3 2 现场可编程门阵列现场可编程门阵列 FPGA 随着科学技术的飞速发展 系统逐渐向着高速度 低功耗 低电压和网络 化 移动化的方向发展 人们对电路的要求越来越高 传统单一功能的电路已 经很难满足发展的需求 而可编程逻辑器件 CPLD FPGA 可以方便的通过对逻 辑结构的修改和配置 完成对系统和设备的升级 Xilinx 公司是全世界最大的 可编程逻辑器件制造商 同时也是 FPGA 器件的发明者 特别是在通信领域 Xilinx 不仅是一个提供通信器件的供应商 同时还积极的参与通信标准的制定 为系统集成和系统提供解决方案等 很多高校 研究所 公司都采用 Xilinx 的 方案与芯片来进行开发与研究 本设计平台由本公司设计的 SEED FEM025 开 发系统构成 主要器件是 Xilinx 推出的 Virtex 4 系列器件 嵌入了 MicroBlaze 处理器软核 9 从 1985 年 Xilinx 公司推出第一个现场可编程逻辑阵列 FPGA 到现在 FPGA 已经成为当今电子设计应用市场上首选的可编程逻辑器件之一 从航空 航天到数字信号处理 再到汽车家电等消费领域 无处不见 FPGA 的身影 而 且 随着微电子等工艺的进步 FPGA 器件本身的性能逐年在提高 使得 FPGA 器件与其他同类器件相比更有竞争力 它不但具有短暂的开发周期 低廉的成 本 强大的适应性等诸多优点 而且还有其它多方面的优势 1 简便的编程方式 系统配置的编程方式在越来越多的先进的 CPLD FPGA 产品中得到了广泛的应用 在正 5V 工作电压的情况下可以任意时 刻对正在工作中的 CPLD FPGA 进行全部或部分地系统编程 并且可以进行所 谓 菊花链式 的多芯片串行编程 特别是对于 SRAM 结构的 FPGA 其下载的 编程次数几乎不会受到任何限制 2 高速 CPLD FPGA 的延迟时间能达到纳秒级数 加上其具有并行的工 作方式 将在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景 3 可靠性非常高 由于 CPLD FPGA 可以将整个系统在同一芯片中高集 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 16 成下载 体积将会大幅度减小 方面对数据进行管理和屏蔽 4 开发工具和设计语言标准化 开发周期短 由于开发工具的通用性 设 计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的 CPLD FPGA 器件的硬件结构没有 关系 使得设计成功的各类逻辑功能块有很好的兼容性和可移植性 它几乎可 用于任何型号的 CPLD FPGA 从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高 5 功能强大 应用广阔 如今 CPLD FPGA 可供选择范围很大 可根据 不同的应用选择不同容量的芯片 利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或 数字系统的设计 6 易学易用 开发便捷 CPLD FPGA 应用的学习不需太多的预备知识 只要具有通常的数字电路和计算机编程基础知识 就足以在短期内握基本的设 计方法和开发技巧 正是由于以上诸多优点 可编程逻辑器件 CPLD FPGA 在我国已大量应用 到产品的研制和最终产品中 它们在降低产品成本的同时又极大地缩短了产品 上市时间 可产生巨大的经济效益 10 FPGA 一般由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的 SRAM 组成 这 三种可编程电路是 可编程逻辑块 CLB 输入 输出模块 IOB I O Block 和互 连资源 IR CLB 是 FPGA 的主要组成部分 是实现逻辑功能的基本单元 它主 要由逻辑函数发生器 触发器 以通过 IR 与其他 CLBS 相连 IOB 提供了器件 引脚和内部逻辑阵列之间的连接 通常排列在芯片的四周 主要由输入触发器 输入缓冲器 输出触发 锁存器和输出缓冲器组成 每个 IOB 控制一个引脚 可被配置为输入 输出或双向 L O 功能 IR 包括各种长度的金属连接线段和 一些可编程连接开关 它们将各个 CLB 之间和 IOB 之间互相连接起来 构成 各种复杂功能的系统 FPGA 的基本特点主要有 1 采用 FPGA 设计 ASIC 电 路 用户不需要投片生产 就能得到合格的芯片 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片 2 FPGA 内部有丰富的触发器和 L O 引脚 3 FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短 开发费用最低 风险最小的器件之一 4 FPGA 采用高速 CMOS 工艺 功耗低 可以与 CMOS TTL 电平兼容 数据选择器等 电路组成 它包含了 N N 个配置逻辑块 CLBS 对其编程可产生逻辑功能 FPGA 器件如今已经成为全世界炙手可热的半导体器件 同时在现代电子 系统设计中起着越来越重要的作用 其未来的发展方向将呈现以下几个方面的 趋势 1 向高密度 大规模的方向发展 由于电子系统的复杂程度越来越高 FPGA 的规模越来越大 由原来的几 百门发展到现在已经有上百万门 如今 高密度的 FPGA 产品占有的市场也非 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 17 常可观 并且已经具备了片上系统集成的能力 产品性能的巨大飞跃也促进了 工艺的不断发展进步 FPGA 器件的规模也随着工艺的不断改进不断的扩大 这些高密度 大容量的 FPGA 器件的出现 给现代电子系统 复杂系统 的设计 与实现带来了巨大的帮助 2 向系统内可重构的方向发展 系统内可重构是指 FPGA 器件在置入用户系统后仍具有改变其内部功能的 能力 采用系统内可重构技术 使得系统内硬件的功能可以像软件那样通过编 程来配置 从而在电子系统中引入 软硬件 的全新概念 它不仅使电子系统的 设计和产品性能的改进和扩充变得十分简便 还使新一代电子系统具有极强的 灵活性和适应性 为许多复杂信号的处理和信息加工的实现提供了新的思路和 方法 按照实现的途径不同 系统内重构可分为静态重构和动态重构两类 对 基于 E2PROM 或快速擦写技术的可编程器件 系统内重构是通过在系统编程 ISP 技术实现的 是一种静态逻辑重构 另一类系统重构即动态重构 是指在 系统运行期间 根据需要适时地对芯片重新配置以改变系统的功能 可由基于 SRAM 技术的 FPGA SRAM based FPGA 实现 这类器件可以无限次地被重新 编程 利用它可以 1 秒几次或者 1 秒数百次地改变器件执行的功能 甚至可以 只对器件的部分区域进行重构 此时芯片的其他部分仍可正常工作 FPGA 的 系统内可重构特性有着极其广泛的应用前景 近年来在通信 航天 计算机硬 件系统 程序控制 数字系统的测试诊断等方面获得了较好的应用 11 3 向低电压 低功耗的方向发展 集成技术的飞速发展 工艺水平的不断提高 节能潮流在全世界的兴起 也为半导体工业提出了降低工作电压的发展方向 FPGA 器件作为电子系统的 重要组成部分 也不可避免地向 33V 2 5V 1 8V 的标准靠拢 以便适应其他数 字器件 扩大应用范围 4 向高速可预测延时器件的方向发展 FPGA 器件如果要在高速系统中占有一席之地 也必然向高速发展 为了 保证高速系统的稳定 FPGA 器件的延时可预测性也是十分重要的 用户在进 行系统重构的同时 担心的是延时特性会不会因重新布线的改变而改变 否则 将导致系统重构的不稳定性 这对庞大而高速的系统而言将是不可想象的 其 带来的损失将是巨大的 因此 为了适应未来复杂高速电子系统的要求 FPGA 器件的高速可预测延时也是一个发展趋势 5 向混合可编程技术方向发展 FPGA 器件特有的产品上市快以及硬件可重构特性为电子产品的开发带来 了极大的方便 它的广泛应用使得电子系统的构成和设计方法均发生了很大的 变化 但迄今为止 有关 FPGA 的研究和开发的大部分工作基本上都集中在数 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 18 字逻辑电路上 在未来几年里 这一局面将会有所改变 模拟电路及数模混合 电路的可编程技术将得到发展 3 DSP 在很多领域中具有广泛的用途 但随着 DSP 系统复杂程度和功能要求 的提高 用 DSP 解决方案逐渐显示出它的缺陷性 实时性不强 灵活性太差 不适合在实验室和技术开发等场合使用等 比如在数据通信和图像处理这样的 应用中 需要强大的处理能力 由于成本 系统功耗和面市时间等原因 许多 通讯 视频和图像系统已无法简单地用现有 DSP 处理器来实现 当最快的数字 信号处理器仍无法达到速度要求时 唯一的选择是增加处理器的数目 或采用 客户定制的门阵列产品 现在 设计人员有了新的选择 可采用 FPGA 来快速 经济地完成设计 采用现场可编程器件不仅缩短了产品上市时间 还可满足现 在和下一代便携式设计所需要的成本 性能 尺寸等方面的要求 并提供系统 级支持 使用 FPGA 来实现 DSP 解决方案主要有两个方面的理由一首先是为了 提高性能 其次可以为系统节约成本 可编程逻辑器件的设计是利用 EDA 开发软件和编程土具对器件开发的过程 高密度复杂可编程逻辑器件的设计流程如图 3 1 所示 它包括设计准备 设计 输入 功能仿真 设计处理 时序仿真和器件编程及测试等七个步骤 12 1 设计准备 在系统设计之前 首先要进行方案论证 系统设计和器件选择等准备工 作 一般采用自上而下的设计方法 也可采用传统的自下而上的设计方法 2 设计输入 设计输入将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来 并送入计算机的过程称为设计输入 设计输入通常有以下集中形式 1 原理图输入方式 2 硬件描述语言输入方式 3 波形输入方式 3 功能仿真 功能仿真也叫做前仿真 用户所设计的电路必须在编译之前进行逻辑 功能验证 此时的仿真没有延时信息 对于初步的功能检测非常方便 仿真中 如发现错误 则返回设计输入中修改逻辑设计 4 设计处理 设计处理是器件设计中的核心环节 在设计处理过程中 编译软件将对设 计输入文件进行逻辑化简 综合优化和适配 最后产生编程用的编程文件 主 要有 1 语法检查和设计规则检查 天津科技大学 2013 届本科生毕业论文 19 2 逻辑优化和综合 3 适配和分割 4 布局和布线 5 时序仿真 时序仿真又称后仿真或延时仿真 由于不同器件