數(shù)字電子系統(tǒng)的EDA設(shè)計(jì)方法研究

0 引 言
    隨著計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA領(lǐng)域已成為電子技術(shù)發(fā)展的主體，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展。推動(dòng)該潮流發(fā)展的引擎，就是日趨進(jìn)步和完善的CPLD(Complex Programmable Logic Device)設(shè)計(jì)技術(shù)。而電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，是近幾年迅速發(fā)展起來的將計(jì)算機(jī)軟件、硬件、微電子技術(shù)交叉運(yùn)用的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)學(xué)科，其中EDA設(shè)計(jì)語言中的VHDL語言是一種快速的電路設(shè)計(jì)工具，功能涵蓋了電路描述、電路合成、電路仿真等三大電路設(shè)計(jì)工作。該數(shù)字電壓表的電路設(shè)計(jì)，正是用VHDL語言完成的。此次設(shè)計(jì)主要應(yīng)用美國Altera公司自行設(shè)計(jì)的一種CAE軟件工具，即Max+PlusⅡ軟件。

1 數(shù)字電壓表的構(gòu)成及工作原理
    數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心擴(kuò)展成的各種數(shù)字化儀表，幾乎覆蓋了電子電工測量、工業(yè)測量、自動(dòng)化系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。
1．1 數(shù)字電壓表
    數(shù)字電子系統(tǒng)通常由ASIC芯片和外圍硬件設(shè)備組成，具有靈活性不強(qiáng)等缺陷。如圖1所示的數(shù)字電壓表，A／D轉(zhuǎn)換器在控制ASIC所提供的時(shí)序信號作用下，對輸入模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制核心再對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后驅(qū)動(dòng)輸出裝置顯示數(shù)字電壓信號。由于系統(tǒng)功能由ASID硬件結(jié)構(gòu)決定，其功能難以更新和擴(kuò)展。如果用EDA方法設(shè)計(jì)，即以可編程邏輯器件CPLD代替ASIC芯片，用硬件描述語言決定系統(tǒng)功能，就可在硬件不變的情況下修改程序以更新和擴(kuò)展功能，使其靈活性顯著提高?；诖丝紤]，用EDA方法設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易數(shù)字電壓表控制電路，旨在研究提高數(shù)字電子系統(tǒng)靈活性的設(shè)計(jì)方法。

1．2 數(shù)字電壓表的工作原理
    數(shù)字電壓表的改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的硬件包括三個(gè)部分，其中轉(zhuǎn)換器ADC0804的作用是將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值，并送到CPLD以待運(yùn)算和處理；七段數(shù)碼顯示器的作用是接收CPLD轉(zhuǎn)換后的BCD數(shù)據(jù)并顯示；CPLD兼有處理和協(xié)調(diào)作用，包括控制A／D轉(zhuǎn)換動(dòng)作、接收A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果及編碼、驅(qū)動(dòng)顯示等作用。因此，CPLD可分為三個(gè)功能模塊，即控制模塊、計(jì)算模塊和顯示驅(qū)動(dòng)模塊。

2 CPLD設(shè)計(jì)
    由以上分析，數(shù)字電壓表的CPLD設(shè)計(jì)，適合于頂層電路與三個(gè)底層模塊相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，其中顯示驅(qū)動(dòng)模塊有標(biāo)準(zhǔn)的七段顯示VHDL子程序可供調(diào)用。下面僅論述其余兩模塊的設(shè)計(jì)。
2．1 控制模塊的設(shè)計(jì)
    該模塊的任務(wù)是，控制ADC0804的工作時(shí)序，可分為S0～S3四個(gè)連續(xù)的步驟或狀態(tài)。任務(wù)分別是：使ADC0804準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換(狀態(tài)S0)、轉(zhuǎn)換(狀態(tài)S1)、CPLD準(zhǔn)備讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果(狀態(tài)S2)、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果(狀態(tài)S3)。各狀態(tài)由CPLD輸出腳CS、WR、RD的不同電平組合確定，主要的VHDL語句為：

   
2．2 計(jì)算模塊
    該模塊將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果分為高低4位，查表依次得到其BCD碼后再進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與A／D轉(zhuǎn)換器的位寬和參考電壓Vref均有關(guān)。本文選用8位轉(zhuǎn)換器ADC0804，參考電壓為5．12 V，故能輸出從0～5．12 V按照0．02 V步進(jìn)變化的256(28)個(gè)離散值。如表1所示。

    電壓離散值可用8位二進(jìn)制(或2位十六進(jìn)制數(shù))表示，表1中列出了輸出數(shù)字電壓高4位及低4位可能出現(xiàn)的16個(gè)值。如果CPLD從ADC20804接收到信號01101000B(即68H)，對照表1高4位0110B是1．92 V，而低4位1000B是0．16 V，則最后的電壓輸出結(jié)果是1．92+0．16=2．08 V。
    本文要求精確到兩位小數(shù)0．01 V，故將輸出電壓表示成12位的BCD碼形式。如上述的1．92 V是(000110010010)BCD，0．16 V是(000000010110)BCD，相加結(jié)果2．08 V是(001000001000)BCD。同理，若CPLD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)01110000B(即70H)，則計(jì)算結(jié)果2．24 V是(001000100100)BCD。因此計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)主要包括一個(gè)12位的加法器及與之對應(yīng)的存儲器。
    主要VHDL語句如下：

3 仿真結(jié)果
    CPLD設(shè)計(jì)完成后，用Max+Plus II軟件編譯和仿真，波形如圖3所示。由圖3可知，CPLD工作時(shí)，先啟動(dòng)控制模塊，它對模數(shù)轉(zhuǎn)換的一次控制由四個(gè)狀態(tài)組成。在狀態(tài)S0，選定ADC0804，為模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備；在狀態(tài)S1，使ADC0804進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)CPLD的INTR信號端由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)入下一狀態(tài)S2，為讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果做準(zhǔn)備；在狀態(tài)S3，CPLD讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。接著，CPLD的計(jì)算模塊工作，求出二進(jìn)制模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的12位BCD碼。最后啟動(dòng)顯示驅(qū)動(dòng)模塊，用數(shù)碼管顯示有兩位小數(shù)的數(shù)字電壓值。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果即CPLD的輸入信號Din[7．．0]若為68H，則輸出電壓Dout[11．．0]是2．08 V，Din[7．．0]為70H時(shí)，輸出電壓Dout[11．．0]是2．24 V，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語
    本文數(shù)字電壓表的功能由VHDL程序決定，用Max+Plus II軟件編譯、仿真和邏輯綜合后，下載到CPLD芯片EPF10K10LC84-4。CPLD工作主頻為100 MHz，邏輯綜合占用了174個(gè)邏輯單元，資源利用率為30％。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表電路板已通過硬件測試，能測量和顯示0～5 V的弱電壓信號，準(zhǔn)確度為0．02 V，并已在我校EDA工程實(shí)訓(xùn)中心測試成功。保持CPLD芯片不變，將輸入信號改為溫度信號、濕度等信號分別測試時(shí)，均能顯示相應(yīng)的數(shù)字值，因此，基于這種設(shè)計(jì)方法的數(shù)字電子系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性。