EDA技术在数字电路课程设计中的应用

　2007年12月

第6期(总第64期)

济南职业学院学报

Journal of Jinan V ocational C ollege

Dec.2007

N o.6(Serial N o.64)

　

EDA技术在数字电路课程设计中的应用

范春凤1　张　柯2

(1.信阳师范学院物理电子工程学院,　河南信阳464000;2.信阳师范学院网络信息与计算中心,　河南信阳464000)

摘　要:在数字电路课程设计中引入先进的E DA技术是数字电路实验教学改革的方向,本文通过一个数

字电路课程设计的实例,说明了基于E DA技术中的VH D L语言和CP LDΠFPG A器件进行数字系统设计的方

法。

关键词:E DA;课程设计;CP LDΠFPG A;VH D L

中图分类号:G642.0 文献标识码:A

一、E DA技术概述

E DA即电子设计自动化,英文全称E lectronic Design Automation,它是以计算机为工具,在E DA软件平台上,对以硬件描述语言H D L(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真、直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作[1]。E DA技术的系统级高层次电子设计方法,按照“自顶向下”的方法设计,对整个系统进行方案设计和功能划分,无需通过门级原理图描述电路,而是针,摆脱了电路细节的束缚,大大缩短了产品的研制周期。同时,这种高层次设计只是定义系统的行为特性,而不涉及实现工艺,因此,利用其综合优化工具可以使工艺转化变得轻而易举。

二、数字电路课程设计中引入E DA技术的必要性

数字电路课程设计是数字电路设计型实验中的重要部分,它要求运用电子技术课程中有关的理论知识和实验方法,完成一些综合性较强的设计课题。由于目前在数字电路实验教学中,大部分院校仍然采用中小规模的通用集成电路来实现设计功能,当设计的数字电路系统比较复杂,需要多个集成芯片和大量连线时,就增加了设计电路板的难度和故障调试难度,延长了设计周期,降低了学生的学习兴趣;同时,常用中小规模集成芯片的大量重复使用也大大增加了设计成本。因此,在数字电路课程设计中引入E DA技术,采用当前国际先进的设计方法和理念,改革传统的课程设计方法,已经成为一种趋势。

A LTER公司的开发系统M AX+PlusⅡ是一个完全集成化、易学易用的可编程逻辑设计环境,它可以在多种平台上运行,具有原理图输入、文本输入、波形输入等多种输入方式,利用它所配备的编辑、编译、仿真、综合、芯片编程等功能可以完成数字电路从设计、检查、模拟到下载的全过程,是E DA设计中不可缺少的一种工具[2],因此特别适合作为数字电路系统的设计和开发软件。CP LDΠFPG A通称为可编程逻辑器件,其中FPG A是英文Field Programmable G ate Array的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PA L、G A L、EP LD等可编程逻辑器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路,它既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点[3],非常适合于复杂数字系统的设计。目前,M AX+PlusⅡ开发软件和CP LDΠFPG A器件作为E DA开发工具被越来越广泛的应用到大型数字系统的设计中。

三、E DA技术在一个数字电路课程设计中的具体应用

现代E DA技术要求数字系统的设计采用自上而下的设计方法。下面以基于A LTER公司的FPG A器件EPF10K10LC84-4和M AX+PlusⅡ10.0E DA开发软件设计一个多功能数字钟电路为例来介绍数字电路系统的通用设计方法(虽然传统的74系列中小规模器件也能够实现这一功能,但在电路结构上要比利用E DA技术进行设计复杂得多)。运用此种方法进行课程设计时,需要先学习M AX+PlusⅡ软件和VH D L语言的编程方法,掌握CP LDΠFPG A实验开发系统的使用。

(一)设计要求

作者简介:范春凤(1981—),女,河南南阳人,硕士研究生,信阳师范学院物理电子工程学院助教,主要从事电子信息技术研究。

数字钟能进行正常的时、分、秒计时,计时结果由6个7段共阴极数码管显示。小时计时要求为24进制循环,分和秒计时要求为60进制循环;能够通过手动按键来调整时间(K1,K2,K3),实现校时功能;要求逢整点报时,具有闹时功能,当时钟计数为59′50″、59′52″、59′54″、59′56″、59′58″时,扬声器发出频率为1024H z的声音,在59′59″即到整点时,扬声器发出最后一声整点报时,频率为4096H z。用层次化设计方法设计该电路,用VH D L语言编写各个功能模块。完成电路设计且软件仿真结果正确后,由硬件电路调试验证设计结果。

(二)设计总体方案

多功能数字钟电路的基本原理框图(如图1所示)由控制电路、两个60进制计数器、一个24进制计数器、译码器、显示器和扬声器组成。控制电路控制计数器计时和扬声器报时。计数器对秒、分、小时进行计时,当计时到23时59分59秒时,再来一个计数脉冲,则计数器清零,重新开始计时。译码器将计数器输出的BC D码计时结果转换成十进制送到显示器。显示器显示时、分、秒计时结果[4]。

图1　数字钟电路原理框图

图1所示控制电路和时、分、秒计数器模块属软件部分,由VH D L语言编写源代码来实现;扬声器、译码器和时、分、秒显示器为外围扩展电路,属硬件部分,由常用的中、小规模集成电路实现[5]。

(三)具体实现

利用VH D L硬件描述语言和层次化设计方法编写源程序,将数字钟的实现分成控制电路模块和计数模块(显示模块由硬件电路实现)。

控制电路模块用来控制数字钟的工作状态,即控制数字钟工作于正常计时状态和调整时、分、秒状态,并且通过控制计时状态来控制扬声器的鸣叫。计数模块用来实现数字钟的内部计数功能,分为时计数模块、分计数模块、秒计数模块三部分。

通过系统分析论证后,在M AX+plusⅡ10.0环境下,用VH D L硬件编程语言编写数字钟的控制模块、秒计数模块、分计数模块、和时计数模块源代码[6,7],即分别对应control.vhd、cdu60s.vhd、cdu60.vhd、cdu24.vhd文本文件,各模块分工协作,共同实现一个多功能的数字钟。

下面不再赘述时、分、秒计数模块(即60进制计数器、24进制计数器)源代码,只列出控制部分源程序control.vhd,控制模块输入端口信号是计数脉冲信号(clk)和用于整点报时的高频信号(clk500、clk1024)以及调整时间的按键开关(k1、k2、k3)。整点报时的具体源代码如下示:

LI BRARY IEEE;

USE IEEE.ST D-LOGIC-1164.A LL;

USE IEEE.ST D-LOGIC-UNSIG NE D.A LL;

　E NTIY control IS

　PORT(clk,clk1024,clk500,sa,sb,sc:in std-logic;

q1:in std-logic-vector(7downto0);

　q2:in std-logic-vector(7downto0);

　bee,clks,seta,setb,clrc:out std-logic);

　E ND control;

　ARCHITECT URE aa OF control IS

　signal count:std-logic-vector(1downto0);

　BEGI N

　clk-label:

　PROCESS(clk)

　BEGI N

　IF clk’event and clk=’1’THE N

count<=count+1;

　E ND IF;

　E ND PROCESS clk-label;

　clk1024-label:

　PROCESS(clk1024)

BEGI N

　IF clk1024’event and clk1024=’1’THE N

seta<=sa;

setb<=sb;

clrc<=sc;

　E ND IF;

　E ND PROCESS clk1024-label;

　clks<=count(0);

　bee<=clk500when q2(7downto0)=“01011001”and q1(7downto4)=“0101”and q1(0)=’0’else

clk1024when q2(7downto0)&q1(7downto0)=“0000000000000000”else

’0’;

　E ND aa;

源代码中由when语句表明当时钟计数为59′50″、59′52″、59′54″、59′56″、59′58″时,扬声器发出声音为信号clk500的频率(实际输入频率1024H z),当计数为00′00″即到整点时,扬声器发出声音为信号clk1024的频率(实际输入频率4096H z),其它情况下则不发声。

(四)功能仿真

运行M AX+plusⅡ软件,建立一个新目录,将以上四个设计文件control.vhd、cdu60s.vhd、cdu60.vhd、cdu24.vhd保存在该目录下,分别编译、保存,建立四个对应的符号文件。用图形输入法新建一个文件,取名为clkgd f.gd f,引入控制器,时计数器,分计数器,秒计数器的符号,用导线连接,编译、保存,图2为综合电路clkgd f.gd f原理图。

图2　clkgd f.gd f

为了验证电路的逻辑功能和设计的正确性,可使用M AX+plusⅡ软件的仿真功能,在“M AX+plusⅡ”菜单下单击“Waveform Editor”,进入波形编辑器窗口,将输入输出信号选择到波形编辑器窗口[3]。根据设计要求,选择信号源种类,然后为电路输入信号添加激励波形。仿真后产生如下图示波形文件(clkgd f.scf)。

从以上仿真图中可以看出,当秒计时(second[7…0])到59秒时正确产生进位给分计时位(min[7…0]),当分计时到59分时正确产生进位送给时计时端(hour[7…0]),当时钟计数为59′50″、59′52″、59′54″、59′56″、59′58″时,蜂鸣信号输出(bee)为高电平,它将驱动音响电路中扬声器发出鸣叫。

电路软件仿真结果正确后,其硬件的实现是用东南大学研制南京雨顺电子公司生产的SE-5型E DA实验开发系统完成的(该系统采用Altera公司生产的芯片EPF10K10LC84-4,此芯片IΠO资源丰富,非常适合用于进行综合性课程设计)。当clkgd f.gd f图形文件编译生成clkgd f.pof文件后,选择M AX+plusIIΠFloorplan Editor,打开底层平面图编辑器窗口,对图形编辑窗口中的输入Π输出引脚规定引脚号码(EPF10K10LC84-4芯片的管脚功能可参考SE-5型E DA实验开发系统的实验指导书),完成管脚配置后,可编译生成clkgd f.s of文件,将此文件下载到本设计中的FPG A器件中;然后将Byte Blaster电缆的一端和PC机并行口相连,另一端与可编程逻辑器件的电路板相连,实现在系统编程。选择菜单命令M AX

图3　计数脉冲仿真图

+plusIIΠProgrammer,配置好硬件类型(Byte Blaster)。单击Program按钮进行编程下载,经过硬件验证完全符合设计要求。

四、结束语

随着电子设计自动化技术的普及,利用E DA技术进行数字电路课程设计,不仅可以很好地锻炼学生的综合设计开发能力和动手能力,从而激发他们的学习兴趣,还可以大大节约数字电路课程设计实验的成本,提高设计效率。因此,将E DA技术应用于数字电路课程设计必将成为今后数字电路实验课程改革的新动向。

参考文献

[1]曾繁泰.E DA工程概论[M].北京:清华大学出版社,2000.

[2]欧阳星明.数字逻辑[M].武汉:华中科技大学出版社,2002:222-248.

[3]陈赜,朱如琪.在系统可编程技术实践教程[M].北京:科学出版社,2001:140-190.

[4]谢自美.电子线路设计?实验?测试(第二版)[M].武汉:华中理工大学出版社,2000:232-239.

[5]宁国强,张卫东,等.基于FPG A的数字钟的设计与实现[J].西安通信学院学报,2004,3(3):26-30.

[6]樊永宁,张晓丽.基于VH D L的多功能数字钟的设计[J].工矿自动化.2006,(3):92-94.

[7]刘旄光,李玲.基于CP LD的单片多功能数字钟[J].机电工程技术.2005,34(10):45-47.

(责任编辑:王振平)

(上接第60页)

原因,进而找出解决问题的办法,求得新的进步和发展。只有定期评价才能及时发现问题,达到控制的目的,而分析产生问题的原因,找出解决问题的办法,是进行评价的首要任务,也是目的。因为,发现了问题却找不出或不找产生问题的原因就可能使评价半途而废。

总而言之,高校英语教学呼唤课程评价;没有科学的评价,高校英语教改就难获成功。

参考文献

[1]蔡基刚.试论大学英语课程教学要求的基本原则和精神[J].外语与外语教学,2004,(1).

[2]教高厅[2004]1号.大学英语课程教学要求(试行).

[3]Nunan,D.F ocus on the learning process:S tyles and strategies[R].Paper presented in the First Internationa lC on ferenceon F oreign Language T eaching M ethodo logyin China,Shanghai,M arch2004.

[4]Alders on,https://www.360docs.net/doc/024657477.html,nguage testing in the1990s:H ow far have wecome H ow much fur the rhavewetog o[A].InCurrent Develop-mentin Language T esting

[C].edited by Sarinee Anivan,S inga-pore:SE AME O Regional Language Center,1991.

[5]金娣,王刚.教育评价与测量[M].北京:教育科学出版社,2002.

(责任编辑:孙建霞)