【正文】 確定綜合方式、目標(biāo)器件、綜合強(qiáng)度、多層保持選擇、優(yōu)化目標(biāo)等設(shè)置后，即可進(jìn)行綜合與優(yōu)化。從廣義上講，設(shè)計(jì)驗(yàn)證包括功能與時(shí)序仿真和電路驗(yàn)證。布局與布線，布局是指從映射取出定義的邏輯和輸入輸出塊，并把它們分配到FPGA內(nèi)部的物理位置，通?；谀撤N先進(jìn)的算法，如最小分割、模擬退火和一般的受力方向張弛等來完成；布線是指利用自動布線軟件使用布線資源選擇路徑試著完成所有的邏輯連接[13]。 在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，在映射后需要對一個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)際功能塊的延時(shí)和估計(jì)的布線延時(shí)進(jìn)行時(shí)序分析；而在布局布線后，也要對實(shí)際布局布線的功能塊延時(shí)和實(shí)際布線延時(shí)進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析。 在綜合與時(shí)序仿真過程中交互使用PrimeTime進(jìn)行時(shí)序分析，滿足設(shè)計(jì)要求后即可進(jìn)行FPGA芯片投片前的最終物理驗(yàn)證。本章主要描述了在設(shè)計(jì)中用到的軟件部分，主要介紹了VHDL硬件編程語言和QUARTUS II軟件，并介紹了基于VHDL綜合的FPGA設(shè)計(jì)流程。在核心板上有兩個(gè)撥碼開關(guān)，這兩個(gè)撥碼開關(guān)組合，正好可以產(chǎn)生四種狀態(tài)，所以用兩個(gè)撥碼開關(guān)就足可以滿足設(shè)計(jì)要求。再取一個(gè)按鍵控制輸出信號的幅值，這個(gè)按鍵控制著一個(gè)從0到9的計(jì)數(shù)器，當(dāng)主控模塊檢測到按鍵按下時(shí)計(jì)數(shù)器加1，最后將計(jì)數(shù)的結(jié)果轉(zhuǎn)換成四位二進(jìn)制數(shù)輸出到下一個(gè)模塊。仿真結(jié)果如圖43。圖44 主控模塊符號波形發(fā)生模塊實(shí)際上是一個(gè)只讀存儲器，它存儲了正弦波、三角波、方波、鋸齒波四組數(shù)據(jù)的每組256個(gè)采樣值，每個(gè)采樣值都是一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)，輸出給TCL5620驅(qū)動模塊。波形發(fā)生模塊共能產(chǎn)生四種波形，分別對四種波形進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下圖： 圖45幅值為5檔時(shí)的方波仿真圖圖46 幅值為5檔時(shí)的正弦波仿真圖 圖47幅值為6檔時(shí)的三角波仿真圖圖48幅值為7檔時(shí)的鋸齒波仿真圖四幅圖片對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)waveform改變時(shí)，相應(yīng)的輸出的數(shù)據(jù)也隨之改變。主控模塊的控制頻率的按鍵被按下，其對應(yīng)的計(jì)數(shù)器的值會改變，相應(yīng)的輸出的四位二進(jìn)制數(shù)也會改變。液晶共只需顯示十個(gè)字符，當(dāng)寫入了這10個(gè)數(shù)據(jù)后，馬上再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)會使顯示不清晰，所以在執(zhí)行完一次循環(huán)后，會有一段緩沖時(shí)間，此時(shí)LCD_EN為低電平。所以該模塊的主要功能就是按照一定的時(shí)序?qū)⒉⑿袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)逐bit的輸出給TLC5620。如圖415。clk、dataload、ldac為輸出給TLC5620的數(shù)據(jù)，根據(jù)幅值計(jì)算公式，現(xiàn)在TLC5620的data1輸出的第一個(gè)數(shù)據(jù)為150，換算成二進(jìn)制為10010110。當(dāng)這五個(gè)命令寫入后，LCD1602開始處理要顯示的數(shù)據(jù)，如圖中所示，要顯示的數(shù)據(jù)為43A、3333A333A、35，參照1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器點(diǎn)陣字符圖形顯示對照表可以，現(xiàn)在液晶屏幕上顯示的應(yīng)為F::5，也就是表明現(xiàn)在波形發(fā)生器輸出的是幅值檔次為5。當(dāng)對應(yīng)按鍵按下時(shí)，方波發(fā)生器輸出波形的頻率按對應(yīng)基數(shù)增長1，如按下十位對應(yīng)的按鍵，則頻率就在原來的基礎(chǔ)上增加10Hz。復(fù)位按鍵最為簡單，當(dāng)復(fù)位按鍵按下時(shí)，波形的頻率瞬時(shí)變?yōu)?。要求該發(fā)生器可以產(chǎn)生方波、三角波、正弦波等波形，并且該波形發(fā)生器輸出的波形頻率可以調(diào)節(jié)和顯示。TLC5620驅(qū)動模塊是按照狀態(tài)機(jī)的時(shí)序控制，將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)逐一的輸出出去。他們踏實(shí)求學(xué)、勤奮刻苦的精神不斷地鼓勵(lì)我奮勇前進(jìn)。采用純單片機(jī)的方法雖便于控制但又難以達(dá)到很高的精度要求。在以上程序基礎(chǔ)上，對應(yīng)LCD1602編寫其驅(qū)動程序，使TCL5602產(chǎn)生的波的頻率和波形等信息顯示在液晶屏上。（4）利用VHDL語言編寫波形發(fā)生程序，實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的基本功能（5）學(xué)習(xí)LCD1602相關(guān)知識，顯示產(chǎn)生波的頻率。 49附錄2 附錄2燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述課題名稱：基于TCL5620的 FPGA波形發(fā)生器設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）：里仁學(xué)院電子工程系 年級專業(yè)：09級通信工程3班學(xué)生姓名： 張?jiān)讫? 指導(dǎo)教師： 閆盛楠 完成日期： 47附錄2 一、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀　隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，使用硬件語言設(shè)計(jì)PLD/FPGA成為一種趨勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的信號發(fā)生器一般都是采用DDS合成技術(shù)的任意波形發(fā)生器，主要是采用DSP來合成波形，再通過DAC產(chǎn)生模擬信號輸出)。第四、磁盤驅(qū)動器仿真――磁盤驅(qū)動器產(chǎn)生的同步數(shù)字和模擬信號可由任意波形發(fā)生器仿真，用于讀/寫數(shù)據(jù)的測試。在保證信號發(fā)生器的穩(wěn)定性、頻率范圍、幅值范圍等指標(biāo)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對輸出信號的頻率、相位和幅值的數(shù)字控制是現(xiàn)代信號發(fā)生器的發(fā)展方向。調(diào)節(jié)波形時(shí)，只要選擇相應(yīng)的rom即可。采樣數(shù)據(jù)方法有很多，既可以應(yīng)用MATLAB編程產(chǎn)生，也可以應(yīng)用C/C++語言編程產(chǎn)生。在數(shù)碼管上顯示時(shí)，波形用0，1，2代替，分別對應(yīng)方波，正弦波，三角波。 目前已完成任務(wù)情況設(shè)計(jì)的頂層共由幾個(gè)模塊組成，分別為波形發(fā)生模塊（generates），dac驅(qū)動模塊(dac)，64位計(jì)數(shù)器模塊（counter64），主控制模塊（sss），顯示模塊（display）。由于任意波形發(fā)生器的仿真功能越來越完善，已成為通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、超聲、自動測量等復(fù)雜波形的信號源。第三、微機(jī)電系統(tǒng)的驅(qū)動――微機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)的多種信號，需要幾臺任意波形發(fā)生器仿真激勵(lì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)雜信號，信號之間有嚴(yán)格的定時(shí)關(guān)系。第一、雷達(dá)信號仿真――雷科公司的任意波形發(fā)生器有調(diào)幅、調(diào)頻和脈沖三組輸出，組合調(diào)制信號輸入微波信號發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)雜的雷達(dá)信號模式，用于仿真飛行器的雷達(dá)信令。但采用該方法所需的外圍電路模塊多且較為復(fù)雜，不利于控制和問題的檢查。第四階段（13—16周）：完成本課題的基本要求，下載到開發(fā)板進(jìn)行調(diào)試，完成其功能。（3）學(xué)習(xí)VHDL語言，并能編寫簡單的程序。擬解決的主要問題：在Quartus II軟件中，實(shí)現(xiàn)簡單的程序運(yùn)行，熟悉軟件的操作流程。對于利用FPGA方式來設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器來說，采用傳統(tǒng)的模擬振蕩電路構(gòu)成的波形發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻率精度低，不僅成本高，外圍電路復(fù)雜，易受外界干擾，而且調(diào)試?yán)щy，不便于調(diào)控，實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)也不理想。從課題的理論研究到程序的編寫，以及論文的撰寫閆老師都耐心指導(dǎo)，給了我很大的幫助。在設(shè)計(jì)主控模塊中，主要解決了按鍵消抖問題。在設(shè)計(jì)成果中，首先將分模塊組合成的完整原理圖成為最終的軟件設(shè)計(jì)成果，然后進(jìn)行了仿真，并對仿真波形進(jìn)行了分析，最后將程序下載到FPGA開發(fā)板上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，給出了硬件成果圖，并進(jìn)行了說明。顯示器上對應(yīng)也有0到9的變化。接下來的八個(gè)按鍵中，前六個(gè)控制的是產(chǎn)生波形的頻率。 圖418 輸出給LCD1602的信號波形圖如圖421，data、en、rs、rw為輸出給LCD1602的數(shù)據(jù)，en每來一個(gè)下降沿，data就向LCD1602中輸入一個(gè)數(shù)據(jù)。Switch外接的是撥碼開關(guān)，現(xiàn)在其值為1，則代表現(xiàn)在的輸出波形是方波。 圖414 TLC5620驅(qū)動模塊符號圖415 頂層原理圖創(chuàng)建block文件，做為波形發(fā)生器的頂層文件，將設(shè)計(jì)生成主控模塊、波形發(fā)生模塊、TLC5620驅(qū)動模塊和LCD1602顯示模塊的元件符號進(jìn)行連接。DAC轉(zhuǎn)化模塊是TLC5620的驅(qū)動模塊。當(dāng)這五個(gè)命令寫入后，LCD1602開始接收液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器的地址，將地址內(nèi)存儲的圖形在LCD1602中顯示出來。由于LCD1602每次使用都需要初始化，所以狀態(tài)機(jī)總是循環(huán)控制著向LCD1602中寫入五條指令，然后寫入要顯示的字符，如此類推。就可完成波形發(fā)生模塊的功能了。經(jīng)過分析主控模塊的仿真波形圖，可以初步確定，主控模塊的程序的正確性。在其他按鍵變化時(shí)，相對應(yīng)的也會造成一些輸出數(shù)據(jù)的變化，同理，在顯示驅(qū)動模塊中將這些變化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有意義的內(nèi)容，就可將其輸出到LCD1602中，進(jìn)行顯示了。主控模塊需要讀出按鍵或撥碼開關(guān)的變化，來要實(shí)現(xiàn)對輸出信號的波形、幅度、頻率的以及LCD1602顯示內(nèi)容的控制。所以選擇六個(gè)按鍵，分別控制頻率中千位、百位、十位、個(gè)位、十分位、百分位中的一位，進(jìn)行對頻率精確控制。 將位流文件下載到FPGA器件內(nèi)部后進(jìn)行實(shí)際器件的物理測試即為電路 23驗(yàn)證，當(dāng)?shù)玫秸_的驗(yàn)證結(jié)果后就證明了設(shè)計(jì)的正確性。利用此軟件查看關(guān)鍵路徑或設(shè)計(jì)者感興趣的通路的時(shí)序，并對其進(jìn)行分析，再次對原來的設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序結(jié)束，可以提高工作主頻或減少關(guān)鍵路徑的延時(shí)。因其支持增量設(shè)計(jì)，可以使其重復(fù)多次布線，且每次布線利用上一次布線信息以使布線更優(yōu)或達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。轉(zhuǎn)換，將多個(gè)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換并合并到一個(gè)設(shè)計(jì)庫文件中。綜合完成后可以輸出報(bào)告文件，列出綜合狀態(tài)與綜合結(jié)果，如資源使用情況、綜合后層次信息等。 FPGA Compiler II是一個(gè)完善的FPGA邏輯分析、綜合和優(yōu)化工具，它從HDL形式未優(yōu)化的網(wǎng)表中產(chǎn)生優(yōu)化的網(wǎng)表文件，包括分析、綜合和優(yōu)化三個(gè)步驟。進(jìn)而成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。用戶可以采用LogicLock增量設(shè)計(jì)方法，用戶可建立并優(yōu)化系統(tǒng)，然后添加對原始系統(tǒng)的性能影響較小或無影響的后續(xù)模塊。此外，QuartusII通過和DSPBuilder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級設(shè)計(jì)、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計(jì)于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，高速的完成必須有多人甚至多個(gè)代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。而且易于共享和復(fù)用。而描述既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者混合的混合級描述。它具有多層次的設(shè)計(jì)描述功能，層層細(xì)化，最后可直接生成電路級描述。 圖27 TLC5620與FPGA連接圖本章詳細(xì)介紹了FPGA工作原理，并對這次設(shè)計(jì)使用的開發(fā)板進(jìn)行了簡要的介紹。 表21 引腳及對應(yīng)的序號功能引腳及對應(yīng)的序號功能如上表，四個(gè)通道都采用其作為基準(zhǔn)源，輸入5V電壓不輸出電壓都經(jīng)過濾波，保證精度。當(dāng)引腳出現(xiàn)高電平時(shí)，即使有數(shù)字被讀入串行口也不會對DAC的輸出迚行更新。11位的命令字包括8位數(shù)據(jù)位，2位DAC選擇位和1位范圍位，后者用來選擇輸出范圍是1倍還是2倍。 PERI24DI外設(shè)板含有一個(gè)LM75溫度傳感器，一個(gè)PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘，一個(gè)TLC549 AD轉(zhuǎn)換器，一個(gè)TLC5620 DA轉(zhuǎn)換器，2個(gè)PS2接口，一個(gè)256色VGA接口，一個(gè)RS232串口，一個(gè)可調(diào)電位器，一個(gè)外部電源接口和一個(gè)電源指示燈。AC 還作為光標(biāo)和閃爍的位置地址指針，指示當(dāng)前光標(biāo)和閃爍的位置地址。R/W 分別控制是讀寫，對于寫，則 R/W 應(yīng)該保持為低電平。這些輸入輸出外設(shè)是任一個(gè)實(shí)驗(yàn)都不可或缺的。而且主板采用EPCS4的配置芯片，足夠?qū)W習(xí)研究使用，而且盡可能的將芯片的管腳節(jié)省了出來，用來接插外設(shè)板，使板子的擴(kuò)展功能更加強(qiáng)大。查找表是這樣實(shí)現(xiàn)的：首先 FPGA 開發(fā)軟件會自動計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，然后把結(jié)果事先寫入查找表中，F(xiàn)PGA工作時(shí)，輸入信號所進(jìn)行的邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容后輸出，即實(shí)現(xiàn)了該邏輯功能。5 第2章 系統(tǒng)硬件第2章 系統(tǒng)硬件 FPGA基本原理現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGA）是一種可編程使用的信號處理器件，用戶可通過改變配置信息對其功能進(jìn)行定義，以滿足設(shè)計(jì)需求。通過對本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的研究，可以掌握EDA設(shè)計(jì)流程，提高工程實(shí)踐能力。同時(shí)，基于大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷腅DA(電子設(shè)計(jì)自動化)硬件解決方案也被廣泛采用。就日前國內(nèi)的成熟產(chǎn)品來看，多為一些PC儀器插卡，獨(dú)立的儀器和VXI系統(tǒng)的模塊很少，并且我國目前在波形發(fā)生器的種類和性能都與國外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。 早在1978年，由美國Wavetek公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為5MHz，可以形成256點(diǎn)（存儲長度）波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為8bit，主要用于振動、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號源，經(jīng)過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。 波形發(fā)生器與VXI資源結(jié)合。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器采用專用芯片，成本高，控制方式不靈活。它的應(yīng)用不僅使得數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常方便，并且還大大縮短了系統(tǒng)研制的周期，縮小了數(shù)字電路系統(tǒng)的體積和所用芯片的品種。90年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號為HP770S的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由HP8770A任意波形數(shù)字化和HP1776A波形發(fā)生軟件組成。直到1964年才出現(xiàn)了第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在70年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時(shí)，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過GHz的DD