【正文】 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒 論 EDA 技術(shù) 近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在對 EDA 的概念或范疇用得很寬。包括在機(jī)械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域，都有 EDA 的應(yīng)用 [1]。目前 EDA 技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。例如在飛機(jī)制造過程中，從設(shè)計(jì)、性能測試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到 EDA 技術(shù)。本文所指的 EDA 技術(shù)，主要針對電子電路設(shè)計(jì)、 PCB 設(shè)計(jì)和 IC 設(shè)計(jì)。 EDA 設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)級、電路級和物理實(shí)現(xiàn)級。 EAD 技術(shù)是在電子 CAD 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計(jì) [1]。利用 EDA 工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出 IC 版圖或 PCB 版圖的整個過程的計(jì)算機(jī)上自動處理完成 [1]。 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法花費(fèi)大量時間和精力在元件選配和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可行性定位上；現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法以可編程器件為基片，使用計(jì)算機(jī)，通過軟件編程對芯片的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造，還可以在線進(jìn)行仿真、 測試和編程下載 [1]。 EDA 技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)文檔管理 4. 強(qiáng)大的系統(tǒng)建模、電路仿真功能 5. 具有自主知識產(chǎn)權(quán) 6. 開發(fā)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)方法 8. 全方位的利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動設(shè)計(jì)、仿真和測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)邊界掃描技術(shù) 9. 對設(shè)計(jì)者的硬件知識和硬件經(jīng)驗(yàn)要求低 10. 高速性能好 從目前的 EDA 技術(shù)來看，其發(fā)展趨勢是政府重視、使用普及 、應(yīng)用文泛、工具多樣、軟件功能強(qiáng)大 [2]。 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 中國 EDA 市場已漸趨成熟，不過大部分設(shè)計(jì)工程師面向的是 PC 主板和小型 ASIC領(lǐng)域，僅有小部分（約 11%） [2]的設(shè)計(jì)人員 開 發(fā)復(fù)雜的片上系統(tǒng)器件。為了與臺灣和美國的設(shè)計(jì)工程師形成更有力的競爭，中國的設(shè)計(jì)隊(duì)伍有必要購入一些最新的 EDA技術(shù) [2]。 在信息通信領(lǐng)域，要優(yōu)先發(fā)展高速寬帶信息網(wǎng)、深亞微米集成電路、新型元器件、計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)、第三代移動通信技術(shù)、信息管理、信息安全技術(shù)，積極開拓以數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代信息產(chǎn)品，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)， 培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。要大力推進(jìn)制造業(yè)信息化，積極開展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（ CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝（ CAPP）、計(jì)算機(jī)機(jī)輔助制造（ CAM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（ PDM）、制造資源計(jì)劃（ MRPII）及企業(yè)資源管理（ ERP）等。有條件的企業(yè)可開展 “網(wǎng)絡(luò)制造 ”，便于合作設(shè)計(jì)、合作制造，參與國內(nèi)和國際競爭。開展 “數(shù)控化 ”工程和 “數(shù)字化 ”工程。自動化儀表的技術(shù)發(fā)展趨勢的測試技術(shù)、控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)進(jìn)一步融合，形成測量、控制、通信與計(jì)算機(jī)（ M3C）結(jié)構(gòu) [2]。在 ASIC 和 PLD 設(shè)計(jì)方面，向超高 速、高密度、低功耗、低電壓方向發(fā)展。外設(shè)技術(shù)與 EDA 工程相結(jié)合的市場前景看好，如組合超大屏幕的相關(guān)連接，多屏幕技術(shù)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(yīng)的工具。日本、韓國都有 ASIC 設(shè)計(jì)工具，但不對外開放 。中國華大集成電路設(shè)計(jì)中心，也提供 IC 設(shè)計(jì)軟件，但性能不是很強(qiáng)。相信在不久的將來會有更多更好的設(shè)計(jì)工具有各地開花并結(jié)果。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)顯示，中國和印度正在成為電子設(shè)計(jì)自動化領(lǐng)域發(fā)展最快的兩個市場，年復(fù)合增長率分別達(dá)到了 50%和 30%[2]。 EDA 技術(shù)發(fā)展迅猛，完全可以用日新月異來描述。 EDA 技術(shù)的應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在已涉及到各行各業(yè)。 EDA 水平不斷提高，設(shè)計(jì)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(shù) 在系統(tǒng)可編程（ ISP）技術(shù)及其器件是 90 年代迅速發(fā)展起來的一種新技術(shù)與新器件。它使我們能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程中對產(chǎn)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(jìn)行組態(tài)或重組。采用這種器件開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)，其升級與改進(jìn)是極其方便的。由于采用先進(jìn)的 技術(shù)，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(shè)計(jì)（論文） 3 程這種器件不需要專門的編程器和復(fù)雜的流程。編程時僅需一根接口電纜，便可將命令和數(shù)據(jù)下載到 ISP 器件 [4]。采用傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)，一旦系統(tǒng)按要求設(shè)計(jì)完成后，若要升級，進(jìn)行硬件修改，排除硬件故障，是很困難的和不經(jīng)濟(jì)的。然而，采用 ISP器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)、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(xiàn)場就可重新組態(tài)邏輯 [4]。在設(shè)計(jì)、開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)的驗(yàn)證是必不可少的，它可以使設(shè)計(jì)者及時發(fā)現(xiàn)問題，并加以修正，確保最終的設(shè)計(jì)無誤。 ISP 器件在設(shè)計(jì)完成后可立即編程，進(jìn)行軟件仿真，以利于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題。這種軟件仿真可以非常方便地檢查設(shè)計(jì)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，而測試向量和輸入激勵都可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。 用 ISP 器件取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成電路、接口電路、專用集成電路已成為數(shù)字技術(shù)發(fā)展的趨勢。在構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)時，這種器件具有下述 特點(diǎn)：由于一片 ISP 器件的集成規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬個 PLD 等效門，可以代替數(shù)十個至數(shù)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(qiáng)的保密性；同時也可降低系統(tǒng)成本 [4]。 硬件設(shè)計(jì)工具 設(shè)計(jì)原理圖和 PCB 圖均使用 Protel 99SE 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 Protel 99SE 主要應(yīng)用于電子電路原理圖的設(shè)計(jì) 。 電路板的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)系統(tǒng) ,他具有豐富 多樣的編輯功能、強(qiáng)大便捷的自動化設(shè)計(jì)能力 、 完善有效的檢測工具、靈活有序的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)文件 。 使用戶可以輕松的控制電子線路設(shè)計(jì)的全過程 [5] 。Protel 99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計(jì)（ Advanced Schematic）和多層印刷電路板設(shè)計(jì)（ Advanced PCB）。 一般而言，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 電路原理圖的設(shè)計(jì)主要是 Protel 99SE 的原理圖設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)可按下面過程來完成。 （ 1）設(shè)計(jì)圖紙大小 。打開 Protel 99/ Schematic 后，首先要構(gòu)思好零件圖，設(shè)計(jì)好圖紙大小。圖紙大小是根據(jù)電路圖的規(guī)模和復(fù)雜程度而定的，設(shè)置合適的圖紙大小是2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 設(shè)計(jì)好原理圖的第一步。 （ 2）設(shè)置 Protel 99/Schematic 設(shè)計(jì)環(huán)境 。 設(shè)置 Protel 99/Schematic 設(shè)計(jì)環(huán)境，包括設(shè)置格點(diǎn)大小和類型，光標(biāo)類型等等，大多數(shù)參數(shù)也可以使用系統(tǒng)默認(rèn)值 [5]。 （ 3）旋轉(zhuǎn)零件 。 用戶根據(jù)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(jìn)行定義和設(shè)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(dǎo)線、符號連接起來，構(gòu)成一個完整的原理圖。 （ 5）調(diào)整線路 。 將初步繪制好的電路圖作進(jìn)一步的調(diào)整和修改，使得原理圖更加美觀。 2. 產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表 網(wǎng)絡(luò)表是電路原理圖設(shè)計(jì)（ SCH）與印制電路板設(shè)計(jì)（ PCB）之間的一座橋梁，它是電路板自動的靈魂 [5]。網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì) 印制電路板的設(shè)計(jì)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(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)電路板的版面設(shè)計(jì)，完成高難度的等工作。 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 硬件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本 次設(shè)計(jì)的 課題是關(guān)于 多功能電子秒表的 系 統(tǒng) 設(shè)計(jì)，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(bào)信息的存儲 ； 通過外部的按鍵控制，它可以實(shí)現(xiàn)鐘表與跑表以及時間校對的功能 的切換； 可以對時間進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)時 。 根據(jù)用戶需要，可以對用戶進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時提醒，還可 通過按鍵取消報(bào)時。 跑表功能時，可以同時記錄多人成績。 有加 、 重復(fù)、清零、錄音、放音、地址選擇等按鍵或 DIP 開關(guān)； 能實(shí)現(xiàn)指定地址人工控制長度的錄音； 能用 LED 顯示 當(dāng)前 時間或者跑表的計(jì)時 時間。 基于以上要求，總體設(shè)計(jì)方案如下： 本設(shè)計(jì)無論采用是采用單片機(jī)還是復(fù)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(jī)和復(fù)雜可編程邏輯器件后，發(fā)現(xiàn)使用單片機(jī) 硬件連線復(fù)雜，可靠性差，且單片機(jī)的端口數(shù)目、內(nèi)部定時器和中斷源的個數(shù)都有限，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要外加擴(kuò)展芯片 [6]。這無疑對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來諸多不便。 而復(fù)雜可編程邏輯器件又具有以下優(yōu)點(diǎn) [7]： 1． 規(guī)模越來越大，實(shí)現(xiàn)功能越來越強(qiáng)，同時可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。 2． 研制開發(fā)費(fèi)用低，不承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)，使用方便。 3． 通過開發(fā)工具在計(jì)算機(jī)上完成設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)周 期短。 4． 不需要設(shè)計(jì)人員了解很深的 IC 知識， EDA 軟件易學(xué)易用。 5． 通過 CPLD 開發(fā)的系統(tǒng)成熟后，可以進(jìn)行 ASIC（專用集成電路）設(shè)計(jì)，形成批量生產(chǎn)。 6． CPLD 的 JTAG 在系統(tǒng)編程能力并且充分利用了 CPLD 內(nèi)部資源 ,所有控制邏輯電路均由 CPLD 的內(nèi)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(diào)試和升級方便、可靠性高 ,實(shí)用性強(qiáng) [7]。 故本設(shè)計(jì)采用具有在系統(tǒng)編程的復(fù)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(shè)計(jì)主要完成復(fù)雜可編程邏輯器件和所要控制的芯片（本設(shè)計(jì) 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(yīng)2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 用和電路板的制作等問題。 結(jié)合以上論述，初步確定硬件設(shè)計(jì)方案如下： 通過外部的按鍵控制，它可以實(shí)現(xiàn) 起 /停 、 清零 、 功能轉(zhuǎn)換、 復(fù)位 ； 有 調(diào)時 、清零、錄音、 報(bào)時 、地址選擇功能， 可以對 秒表的時間 進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整 ， 同時 準(zhǔn)確顯示在 LED上 ， 通過功能準(zhǔn)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(shè)立 6 個按鍵 ： ADD（用來實(shí)現(xiàn)加、正報(bào)功能）、 PNSELECT（用來實(shí)現(xiàn)正反選擇功能）、REPEAT（用來實(shí)現(xiàn)重復(fù)功能）、 SUB（用來實(shí)現(xiàn)減、反報(bào)功能）、 CLEAR（用來實(shí)現(xiàn)清零功能）、 PLAY（錄音時用來實(shí)現(xiàn)放音驗(yàn)證）、 REC（用來實(shí)現(xiàn)錄音功能） 。這些按鍵通過復(fù)雜可編程邏輯器件產(chǎn)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(bào)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(jīng)主控模塊進(jìn)行相關(guān)操作后 ，可產(chǎn)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(guān)的操作。若按下鍵則觸發(fā)主控模塊中由軟 件設(shè)計(jì)的相關(guān)部分，產(chǎn)生一個下降沿，進(jìn)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(jù)輸入的地址進(jìn)行尋址播報(bào)。 系統(tǒng)采用 復(fù)雜可編程邏輯器件 控制語音芯片來實(shí)現(xiàn)語音報(bào)站的功能。事先將語音信息錄入芯片中，編寫 VHDL 程序，根據(jù)按鍵信息，來確定所在站次，從而確定調(diào)用的語音芯片中錄音的地址，調(diào)用相應(yīng)語音信息，從而正確報(bào)出站名，并進(jìn)行 LED 顯示。VHDL 程序?qū)φZ音芯片的控制是通過下載電纜下載到 CPLD 芯片中實(shí)現(xiàn)的。 由系統(tǒng)主控模塊產(chǎn)生的 BCD 信號用來控制顯示模塊，使得系統(tǒng)按站點(diǎn)進(jìn)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(dāng) 顯示的 時間不對時，按功能轉(zhuǎn)換鍵 KEY1,使其在 XX 狀態(tài)，即為調(diào)時