【正文】 作方式。 “乘積項選擇矩陣 ”分配這些乘積項作為到 “或 ”門和 “異或 ”門的主要邏輯輸入，以實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)；或者把這些乘積項作為宏單元中觸發(fā)器的輔助輸入，即清除、置位、時鐘和時鐘使能控制。全局總線由所有的專用輸入、 I/O 引 腳和宏單元饋給信號。 每個器件包含了 4 個專用輸入，即可用作通用輸入，也可作為每個宏單元和 I/O 引腳的高速、全局控制信號，如時鐘（ Clock）、清除（ Clear）和輸出使能（ OE）。 3. EPM7128SLC8415 引腳說明 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 9 EPM7128SLC8415 各管腳功能如表 所示，其引腳圖如圖 所示 [8]。最后本設計選擇了 Altera 公司的在系統(tǒng)可編程芯片EPM7128SLC8415。其中 MAX7000 系列采用增強型可編程連線陣列，可用門為 600～ 5000 個，具有 32～ 256 個宏單元和 36～ 164 個用戶 I/O 引腳，采用 E2PROM 工藝 [8]。該系列器件的集成度較高，性能價格比高，適合在一般的數(shù)字系統(tǒng)中使用，用于實現(xiàn)控制器、譯碼器等功 能 [7]。 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。 主控模塊在產(chǎn)生使得語音芯片調(diào)用語音信息信號的同時，通過軟件編程也將產(chǎn)生使得顯示模塊顯示的信號，使得 秒表 系統(tǒng)按 整點所報的時間將其 顯示出來 。再按下 KEY2 鍵， 計時停止。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(diào)時狀態(tài)， 按 KEY0鍵來選擇分或者小時。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)用相應語音信息，從而正確報出站名，并進行 LED 顯示。 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。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。 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(chǎn)。 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(xiàn)功能越來越強，同時可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。 跑表功能時，可以同時記錄多人成績。 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(xiàn)電路板的版面設計，完成高難度的等工作。 （ 5）調(diào)整線路 。 （ 3）旋轉零件 。打開 Protel 99/ Schematic 后，首先要構思好零件圖，設計好圖紙大小。 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。 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 。在構成數(shù)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)模可達數(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、具有很強的保密性；同時也可降低系統(tǒng)成本 [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(xiàn)問題，并加以修正，確保最終的設計無誤。 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。 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。 EDA 技術發(fā)展迅猛，完全可以用日新月異來描述。日本、韓國都有 ASIC 設計工具，但不對外開放 。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。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(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（ PDM）、制造資源計劃（ MRPII）及企業(yè)資源管理（ ERP）等。 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(chǎn)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(jīng)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]。 EDA 設計可分為系統(tǒng)級、電路級和物理實現(xiàn)級。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、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。 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(chǎn)品的自動設計 [1]。 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。有條件的企業(yè)可開展 “網(wǎng)絡制造 ”，便于合作設計、合作制造，參與國內(nèi)和國際競爭。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。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。 EDA 技術的應用廣泛，現(xiàn)在已涉及到各行各業(yè)。它使我們能在產(chǎn)品設計、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行組態(tài)或重組。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]。 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(xiàn)設計中的問題。 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。 使用戶可以輕松的控制電子線路設計的全過程 [5] 。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(xiàn)我們的目的，即得到一張正確、精美的電路原理圖。圖紙大小是根據(jù)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。 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、零件封裝進行定義和設定等工作 [5]。 將初步繪制好的電路圖作進一步的調(diào)整和修改，使得原理圖更加美觀。 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。 有加 、 重復、清零、錄音、放音、地址選擇等按鍵或 DIP 開關； 能實現(xiàn)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。 2． 研制開發(fā)費用低，不承擔投片風險，使用方便。 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 ,實用性強 [7]。 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(xiàn) 起 /停 、 清零 、 功能轉換、 復位 ； 有 調(diào)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(diào)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。 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)主控模塊進行相關操作后 ，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)行相關的操作。VHDL 程序?qū)φZ音芯片的控制是通過下載電纜下載到 CPLD 芯片中實現(xiàn)的。按 KEY3 來分別 對時鐘進行較時，然后再按 KEY1 鍵 ,使其在XX 狀態(tài)即時鐘狀態(tài) 即可。而多功能電子秒表的整點報時是用一個開關來控制。 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 7 器件選擇方案 本章前一節(jié)簡要概述了本課題的總體設計方案，本節(jié)將從器件選擇方面對系統(tǒng)的設計方案進行詳細說明。 Lattice 公司于 20 世紀 90 年代初推出的高性能大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，集成度在 1000~25000 門，管腳到管腳（ PintoPin）延時最短可達，系統(tǒng)工作速度最高可達 180MHz。 （ 2） Altera 公司的在系統(tǒng)可編程芯片的特點 Altera 公司的 MAX 系列產(chǎn)品基本上屬于 CPLD 結構。 考慮成本問題， 設計 原 打算選擇 ISPLSI 1032E 芯片，該芯片是美國 Lattice 半導體公司研制的新一代復雜可編程邏輯器件 CPLD，是目前市場上功能較強、產(chǎn)品性能優(yōu)良、開發(fā)設計方便易用的可編程邏輯器件之一 [8]。 它 的優(yōu)點是 基于 E2PROM，可以通過 JTAG 口進行在線編程，設計者可將設計內(nèi)容從 PC 機上通過下載電纜和 JTAG 口對 EPM7128SLC8415 進行多次修改 ， 它有多達 68 個 I/O 引腳可供編程使用，方便系統(tǒng)擴展存儲空間和外設 [8]。 圖 EPM7128SLC8415 引腳圖 表 EPM7128SLC8415 各管腳功能表 名稱 管腳 功能 I/O 4～ 4 44～ 66 6 6 70、73～ 81 輸入 /輸出端口 INPUT/OE2/GCLK2 2 輸入 /輸出使能信號 /時鐘 VCC 1 2 3 電源端 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 10 4 5 6 78 GND 1 3 44 5 7 82 接地端 INPUT/OE1 84 輸入 /輸出使能信號 INPUT/GLCR 1 輸入 /清除 TDI 14 isp 編程信號控制線 /專用輸入 TMS 23 isp 編程信號控制線 /專用輸入 TCK 62 isp 編程信號控制線 /專用輸入 TDO 71 isp 編程信號控制線 /專用輸入 圖 Max7000 系列 84 引腳 PLCC 封裝芯片的管腳焊接點排列 在本設計中不管是制作實驗板還是 PCB 板，都要嚴格遵守圖 芯片的管腳焊接點排列情況。下面我們對這 5 部分分別加以闡述 [9]。 LAB 的輸入信號有： ① 來自 PIA 的 36 個信號； ② 全局控制信號； ③ I/O 引腳到寄存器的直接輸入通道 [9]。每個宏單元的一個乘積項可以反相 后回送到邏輯陣列。另外，也可以將觸發(fā)器旁路，實現(xiàn)組合邏輯功能。在設計輸入時，用戶可以選擇所希望的觸發(fā)器，然后 MAX+plusⅡ 開發(fā)工具對每一個寄存器功能選擇最有效的觸發(fā)器工作方式，以使設計所需要的資源最少。它是由宏單元提供一個未使用的乘積項，并把它們反饋到邏輯陣列，便于集中管理使用。所有的專用輸入、 I/O 引腳的反饋、宏單元的反饋均連入 PIA 中，并且布滿整個器件。它的使能端由 OE1n， OE2n 及 VCC， GND 信號中的一個控制。對 MAX7000 系列器件進行編程要具備以下三個條件 [9]： (1)編程電纜； (2)PC 機； (3) MAX7000 系列器件下載軟件。 ISD1420 與計算機、 CPLD 相結合，應用前景十分廣闊。此外，還可以開發(fā)出 “會說話的電子稱 ”、“出租車自動語 音 報價器 ”、 “多路語音報警系統(tǒng) ”等新穎電子電器產(chǎn)品。最小的錄放系統(tǒng)僅由一個麥克風、一個喇叭、兩個按鈕、一個電源和少數(shù)電阻電容組成。 ISD1420采用 CMOS