【正文】 2008屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）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(duì)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(gè)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(cè)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(duì)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(jí)、電路級(jí)和物理實(shí)現(xiàn)級(jí)。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(tái)，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(dòng)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(gè)過程的計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成[1]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法花費(fèi)大量時(shí)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(duì)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(cè)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Library3. 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(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)邊界掃描技術(shù)9. 對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件知識(shí)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(shì)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]。 中國EDA市場(chǎng)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(tái)灣和美國的設(shè)計(jì)工程師形成更有力的競(jìng)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(dòng)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(jìng)爭。開展“數(shù)控化”工程和“數(shù)字化”工程。自動(dòng)化儀表的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的測(cè)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(cè)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(chǎng)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(duì)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(huì)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(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展最快的兩個(gè)市場(chǎng)，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(chǎng)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(duì)產(chǎn)品中的器件、電路板乃至整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時(shí)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(jí)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，因此編程這種器件不需要專門的編程器和復(fù)雜的流程。編程時(shí)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(jí)，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(jí)，只需采用軟盤升級(jí)方法，在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(cè)試向量和輸入激勵(lì)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(shì)。在構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，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(gè)PLD等效門，可以代替數(shù)十個(gè)至數(shù)百個(gè)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(shí)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(gè)基于WINDOWS平臺(tái)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(dòng)化設(shè)計(jì)能力、完善有效的檢測(cè)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?！　?. 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?！　。?）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設(shè)計(jì)好原理圖的第一步。　?。?）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]?！　。?）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(duì)放置零件的序號(hào)、零件封裝進(jìn)行定義和設(shè)定等工作[5]?！　。?）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(hào)連接起來，構(gòu)成一個(gè)完整的原理圖。　?。?）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(dòng)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?！　?. 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(duì)Protel 99SE的另外一個(gè)重要的部分PCB而言的，在這個(gè)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。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(shí)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(chǔ)；通過外部的按鍵控制，它可以實(shí)現(xiàn)鐘表與跑表以及時(shí)間校對(duì)的功能的切換；可以對(duì)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)時(shí)。根據(jù)用戶需要，可以對(duì)用戶進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)提醒，還可通過按鍵取消報(bào)時(shí)。跑表功能時(shí)，可以同時(shí)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(shí)間或者跑表的計(jì)時(shí)時(shí)間?；谝陨弦螅傮w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(shí)器和中斷源的個(gè)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(duì)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(shí)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(shí)，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(jí)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(gè)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)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(shí)、清零、錄音、報(bào)時(shí)、地址選擇功能，可以對(duì)秒表的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整，同時(shí)準(zhǔn)確顯示在LED上，通過功能準(zhǔn)換也可以將跑表的時(shí)間顯示在LED上，使用戶可以一目了然。故需設(shè)立6個(gè)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(shí)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(hào)。按照系統(tǒng)功能的要求，初步確定硬件由按鍵輸入模塊、時(shí)鐘模塊、編程下載接口模塊、主控模塊、報(bào)時(shí)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(shí)鐘信號(hào)，送至主控模塊中；該時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)主控模塊進(jìn)行相關(guān)操作后，可產(chǎn)生去抖動(dòng)按鍵的50Hz信號(hào)和延時(shí)用的1kHz信號(hào)，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(gè)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(hào)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(shí)鐘狀態(tài)用來提供時(shí)間顯示。當(dāng)顯示的時(shí)間不對(duì)時(shí)，按功能轉(zhuǎn)換鍵KEY1,使其在XX狀態(tài)，即為調(diào)時(shí)狀態(tài)，按KEY0鍵來選擇分或者小時(shí)。按KEY3來分別對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行較時(shí)，然后再按KEY1鍵,使其在XX狀態(tài)即時(shí)鐘狀態(tài)即可。當(dāng)需要其為跑表功能時(shí)，再按功能轉(zhuǎn)換鍵KEY1,使其在XX狀態(tài)。按下KEY2鍵，跑表開始計(jì)時(shí)，按下key鍵，計(jì)時(shí)暫停，再按下該鍵，繼續(xù)計(jì)時(shí)。再按下KEY2鍵，計(jì)時(shí)停止。而多功能電子秒表的整點(diǎn)報(bào)時(shí)是用一個(gè)開關(guān)來控制。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)，當(dāng)斷開開關(guān)時(shí)，則取消整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。整點(diǎn)報(bào)時(shí)是由語音芯片提供。主控模塊在產(chǎn)生使得語音芯片調(diào)用語音信息信號(hào)的同時(shí)，通過軟件編程也將產(chǎn)生使得顯示模塊顯示的信號(hào)，使得秒表系統(tǒng)按整點(diǎn)所報(bào)的時(shí)間將其顯示出來。 器件選擇方案本章前一節(jié)簡要概述了本課題的總體設(shè)計(jì)方案，本節(jié)將從器件選擇方面對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。 復(fù)雜可編程邏輯器件的選擇1. 各公司復(fù)雜可編程邏輯器件的特點(diǎn)（1）Lattice公司的在系統(tǒng)可編程芯片的特點(diǎn)Lattice公司是較早利用E2COMS技術(shù)制造可編程邏輯器件的公司之一，是世界上第一片GAL的研制者。該公司在CPLD的研制方面也取得很大進(jìn)展，特別是于1991年發(fā)明并率先推出在系統(tǒng)可編程（ISP）技術(shù)，開拓了新一代的PLD器件。Lattice公司的可編程邏輯器件主要包括：高密度可編程邏輯器件ispLSI和ispMACH、低密度可編程邏輯器件ispGAL等系列產(chǎn)品。Lattice公司于20世紀(jì)90年代初推出的高性能大規(guī)模可編程邏輯器件，集成度在1000~25000門，管腳到管腳（PintoPin），系統(tǒng)工作速度最高可達(dá)180MHz。器件具有在系統(tǒng)可編程能力和邊界掃描能力，適合在計(jì)算機(jī)、儀器儀表、通信設(shè)備、雷達(dá)、DSP系統(tǒng)和遙測(cè)系統(tǒng)中使用[7]。 ispLSI1000/E系列器件是通用器件。該系列器件的集成度較高，性能價(jià)格比高，適合在一般的數(shù)字系統(tǒng)中使用，用于實(shí)現(xiàn)控制器、譯碼器等功能[7]。（2）Altera公司