【正文】 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒 論 EDA 技術 近年來隨著電子技術的發(fā)展，現在對 EDA 的概念或范疇用得很寬。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產、生物、醫(yī)學、軍事等各個領域，都有 EDA 的應用 [1]。目前 EDA 技術已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學部門廣泛使用。例如在飛機制造過程中，從設計、性能測試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到 EDA 技術。本文所指的 EDA 技術，主要針對電子電路設計、 PCB 設計和 IC 設計。 EDA 設計可分為系統(tǒng)級、電路級和物理實現級。 EAD 技術是在電子 CAD 技術基礎上發(fā)展起 來的計算機軟件系統(tǒng)，是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產品的自動設計 [1]。利用 EDA 工具，電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個過程的計算機上自動處理完成 [1]。 傳統(tǒng)設計方法花費大量時間和精力在元件選配和系統(tǒng)結構可行性定位上；現代電子設計方法以可編程器件為基片，使用計算機，通過軟件編程對芯片的結構和數據進行構造，還可以在線進行仿真、 測試和編程下載 [1]。 EDA 技術與傳統(tǒng)設計方法的相比的好處是 [1]： 1. 采用原理圖、狀態(tài)圖和硬件描述語言（ HDL）輸入 2. 引入了庫 Library 3. 設計文檔管理 4. 強大的系統(tǒng)建模、電路仿真功能 5. 具有自主知識產權 6. 開發(fā)技術的標準化、規(guī)范化以及 IP 核的可利用性 7. 適用于高效的自頂向下設計方法 8. 全方位的利用計算機進行自動設計、仿真和測試技術、計算機邊界掃描技術 9. 對設計者的硬件知識和硬件經驗要求低 10. 高速性能好 從目前的 EDA 技術來看，其發(fā)展趨勢是政府重視、使用普及 、應用文泛、工具多樣、軟件功能強大 [2]。 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 2 中國 EDA 市場已漸趨成熟，不過大部分設計工程師面向的是 PC 主板和小型 ASIC領域，僅有小部分（約 11%） [2]的設計人員 開 發(fā)復雜的片上系統(tǒng)器件。為了與臺灣和美國的設計工程師形成更有力的競爭，中國的設計隊伍有必要購入一些最新的 EDA技術 [2]。 在信息通信領域，要優(yōu)先發(fā)展高速寬帶信息網、深亞微米集成電路、新型元器件、計算機及軟件技術、第三代移動通信技術、信息管理、信息安全技術，積極開拓以數字技術、網絡技術為基礎的新一代信息產品，發(fā)展新興產業(yè)， 培育新的經濟增長點。要大力推進制造業(yè)信息化，積極開展計算機輔助設計（ CAD）、計算機輔助工程（ CAE）、計算機輔助工藝（ CAPP）、計算機機輔助制造（ CAM）、產品數據管理（ PDM）、制造資源計劃（ MRPII）及企業(yè)資源管理（ ERP）等。有條件的企業(yè)可開展 “網絡制造 ”，便于合作設計、合作制造，參與國內和國際競爭。開展 “數控化 ”工程和 “數字化 ”工程。自動化儀表的技術發(fā)展趨勢的測試技術、控制技術與計算機技術、通信技術進一步融合，形成測量、控制、通信與計算機（ M3C）結構 [2]。在 ASIC 和 PLD 設計方面，向超高 速、高密度、低功耗、低電壓方向發(fā)展。外設技術與 EDA 工程相結合的市場前景看好，如組合超大屏幕的相關連接，多屏幕技術也有所發(fā)展。 在 EDA 軟件開發(fā)方面，目前主要集中在美國 [2]。但各國也正在努力開發(fā)相應的工具。日本、韓國都有 ASIC 設計工具，但不對外開放 。中國華大集成電路設計中心，也提供 IC 設計軟件，但性能不是很強。相信在不久的將來會有更多更好的設計工具有各地開花并結果。據最新統(tǒng)計顯示，中國和印度正在成為電子設計自動化領域發(fā)展最快的兩個市場，年復合增長率分別達到了 50%和 30%[2]。 EDA 技術發(fā)展迅猛，完全可以用日新月異來描述。 EDA 技術的應用廣泛，現在已涉及到各行各業(yè)。 EDA 水平不斷提高，設計工具趨于完美的地步。 EDA 市場日趨成熟，但我國的研發(fā)水平沿很有限，需迎頭趕上。 在系統(tǒng)可編程技術 在系統(tǒng)可編程（ ISP）技術及其器件是 90 年代迅速發(fā)展起來的一種新技術與新器件。它使我們能在產品設計、制造過程中對產品中的器件、電路板乃至整個電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時進行組態(tài)或重組。采用這種器件開發(fā)的數字系統(tǒng)，其升級與改進是極其方便的。由于采用先進的 技術，就保證了這種器件具備 10000 次以上的擦寫能力 [3]。 高密度 ISP 器件像任何其它器件一樣可以在印刷電路板（ PCB）上處理，因此編2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 3 程這種器件不需要專門的編程器和復雜的流程。編程時僅需一根接口電纜，便可將命令和數據下載到 ISP 器件 [4]。采用傳統(tǒng)的邏輯設計技術，一旦系統(tǒng)按要求設計完成后，若要升級，進行硬件修改，排除硬件故障，是很困難的和不經濟的。然而，采用 ISP器件進行設計，在設計、制造完成后，如果需要重新組態(tài)、升級，只需采用軟盤升級方法，在現場就可重新組態(tài)邏輯 [4]。在設計、開發(fā)過程中，設計的驗證是必不可少的，它可以使設計者及時發(fā)現問題，并加以修正，確保最終的設計無誤。 ISP 器件在設計完成后可立即編程，進行軟件仿真，以利于及早發(fā)現設計中的問題。這種軟件仿真可以非常方便地檢查設計的內部節(jié)點，而測試向量和輸入激勵都可通過軟件編程實現。 用 ISP 器件取代傳統(tǒng)的標準集成電路、接口電路、專用集成電路已成為數字技術發(fā)展的趨勢。在構成數字系統(tǒng)時，這種器件具有下述 特點：由于一片 ISP 器件的集成規(guī)?？蛇_數千乃至數萬個 PLD 等效門，可以代替數十個至數百個分立器件，因此能夠大大縮小硬件系統(tǒng)的體積、減輕重量、降低功耗；還可以提高系統(tǒng)的可靠性，使之易于獲得高性能、具有很強的保密性；同時也可降低系統(tǒng)成本 [4]。 硬件設計工具 設計原理圖和 PCB 圖均使用 Protel 99SE 軟件進行設計。 Protel 99SE 主要應用于電子電路原理圖的設計 。 電路板的設計和繪制以及電子電路邏輯分析和仿真等 。 Protel 99SE 是一個基于 WINDOWS 平臺地 32 位 EDA 設計系統(tǒng) ,他具有豐富 多樣的編輯功能、強大便捷的自動化設計能力 、 完善有效的檢測工具、靈活有序的設計管理手段 ,提供了極其豐富的原理圖元件庫 、 PCB 元器件庫以及出色的在線庫編輯和庫管理 、 良好的開放性 可以兼容多種格式的設計文件 。 使用戶可以輕松的控制電子線路設計的全過程 [5] 。Protel 99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設計（ Advanced Schematic）和多層印刷電路板設計（ Advanced PCB）。 一般而言，設計電路板最基本的過程可以分為三大步驟。 1. 電路原理圖的設計 電路原理圖的設計主要是 Protel 99SE 的原理圖設計系統(tǒng)（ Advanced Schematic）來繪制一張電路原理圖。在這一過程中，要充分利用 Protel 99SE 所提供的各種原理圖繪圖工具、各種編輯功能，來實現我們的目的，即得到一張正確、精美的電路原理圖。原理圖的設計可按下面過程來完成。 （ 1）設計圖紙大小 。打開 Protel 99/ Schematic 后，首先要構思好零件圖，設計好圖紙大小。圖紙大小是根據電路圖的規(guī)模和復雜程度而定的，設置合適的圖紙大小是2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 4 設計好原理圖的第一步。 （ 2）設置 Protel 99/Schematic 設計環(huán)境 。 設置 Protel 99/Schematic 設計環(huán)境，包括設置格點大小和類型，光標類型等等，大多數參數也可以使用系統(tǒng)默認值 [5]。 （ 3）旋轉零件 。 用戶根據電路圖的需要，將零件從零件庫里取出放置到圖紙上，并對放置零件的序號、零件封裝進行定義和設定等工作 [5]。 （ 4）原理圖布線 。 利用 Protel 99/Schematic 提供的各種工具，將圖紙上的元件用具有電氣意義的導線、符號連接起來，構成一個完整的原理圖。 （ 5）調整線路 。 將初步繪制好的電路圖作進一步的調整和修改，使得原理圖更加美觀。 2. 產生網絡表 網絡表是電路原理圖設計（ SCH）與印制電路板設計（ PCB）之間的一座橋梁，它是電路板自動的靈魂 [5]。網絡表可以從電路原理圖中獲得，也可從印制電路板中提取出來。 3. 印制電路板的設計 印制電路板的設計主要是針對 Protel 99SE 的另外一個重要的部分 PCB 而言的，在這個過程中，我們借助 Protel 99SE 提供的強大功能實現電路板的版面設計，完成高難度的等工作。 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 5 第 2 章 硬件設計方案 系統(tǒng)總體設計方案 本 次設計的 課題是關于 多功能電子秒表的 系 統(tǒng) 設計，它除了具有一般的 鐘表的時間顯示外， 還集智 能化、新穎化與人性化于一體。具體的要求如下： 語音信息分 17 段以上，保證 9 站線路的語音播報信息的存儲 ； 通過外部的按鍵控制，它可以實現鐘表與跑表以及時間校對的功能 的切換； 可以對時間進行校準調時 。 根據用戶需要，可以對用戶進行整點報時提醒，還可 通過按鍵取消報時。 跑表功能時，可以同時記錄多人成績。 有加 、 重復、清零、錄音、放音、地址選擇等按鍵或 DIP 開關； 能實現指定地址人工控制長度的錄音； 能用 LED 顯示 當前 時間或者跑表的計時 時間。 基于以上要求，總體設計方案如下： 本設計無論采用是采用單片機還是復雜可編程邏輯器件 作為控制核心 均可完成，但在比較了單片機和復雜可編程邏輯器件后，發(fā)現使用單片機 硬件連線復雜，可靠性差，且單片機的端口數目、內部定時器和中斷源的個數都有限，在實際應用中往往需要外加擴展芯片 [6]。這無疑對系統(tǒng)的設計帶來諸多不便。 而復雜可編程邏輯器件又具有以下優(yōu)點 [7]： 1． 規(guī)模越來越大，實現功能越來越強，同時可以實現系統(tǒng)集成。 2． 研制開發(fā)費用低，不承擔投片風險，使用方便。 3． 通過開發(fā)工具在計算機上完成設計，電路設計周 期短。 4． 不需要設計人員了解很深的 IC 知識， EDA 軟件易學易用。 5． 通過 CPLD 開發(fā)的系統(tǒng)成熟后，可以進行 ASIC（專用集成電路）設計，形成批量生產。 6． CPLD 的 JTAG 在系統(tǒng)編程能力并且充分利用了 CPLD 內部資源 ,所有控制邏輯電路均由 CPLD 的內部硬件電路完成 ,不需微處理器 ,因此系統(tǒng)硬件電路簡單、調試和升級方便、可靠性高 ,實用性強 [7]。 故本設計采用具有在系統(tǒng)編程的復雜可邏輯器件來做整個系統(tǒng)的主控部分。其中主要控制邏輯全部由軟件編寫完成。硬件設計主要完成復雜可編程邏輯器件和所要控制的芯片（本設計 中的語音芯片和顯示芯片）的引腳連接、所要控制芯片的具體應2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 6 用和電路板的制作等問題。 結合以上論述，初步確定硬件設計方案如下： 通過外部的按鍵控制，它可以實現 起 /停 、 清零 、 功能轉換、 復位 ； 有 調時 、清零、錄音、 報時 、地址選擇功能， 可以對 秒表的時間 進行校準調整 ， 同時 準確顯示在 LED上 ， 通過功能準換也可以將跑表的時間顯示在 LED 上， 使用戶可以一目了然。 故 需設立 6 個按鍵 ： ADD（用來實現加、正報功能）、 PNSELECT（用來實現正反選擇功能）、REPEAT（用來實現重復功能）、 SUB（用來實現減、反報功能）、 CLEAR（用來實現清零功能）、 PLAY（錄音時用來實現放音驗證）、 REC（用來實現錄音功能） 。這些按鍵通過復雜可編程邏輯器件產生語音芯片和顯示芯片所需要的信號。 按照系統(tǒng)功能的要求，初步確定硬件 由按 鍵輸入模塊、時鐘模塊、 編程下載接口模塊 、主控模塊、報時模塊、錄音模塊、顯示模塊組成。 系統(tǒng)由主控模塊控制，從有源晶振獲得 4MHZ 的時鐘信號，送至主控模塊中；該時鐘信號經主控模塊進行相關操作后 ，可產生去抖動 按鍵的 50Hz信號和延時用的 1kHz信號 ，用來觸發(fā)語音芯片，使語音芯片執(zhí)行相關的操作。若按下鍵則觸發(fā)主控模塊中由軟 件設計的相關部分，產生一個下降沿，進而改變輸入語音芯片 A0~A7 的地址和語音芯片的 PLAYE 端口，語音芯片根據輸入的地址進行尋址播報。 系統(tǒng)采用 復雜可編程邏輯器件 控制語音芯片來實現語音報站的功能。事先將語音信息錄入芯片中，編寫 VHDL 程序，根據按鍵信息，來確定所在站次，從而確定調用的語音芯片中錄音的地址，調用相應語音信息，從而正確報出站名，并進行 LED 顯示。VHDL 程序對語音芯片的控制是通過下載電纜下載到 CPLD 芯片中實現的。 由系統(tǒng)主控模塊產生的 BCD 信號用來控制顯示模塊，使得系統(tǒng)按站點進行顯示。 系統(tǒng)工作 過程如下 ：多功能電子秒表一般情況下處于時鐘狀態(tài) 用來 提供時間顯示。當 顯示的 時間不對時，按功能轉換鍵 KEY1,使其在 XX 狀態(tài)，即為調時