【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 LD(復(fù)雜可編程邏輯器件)都是可編程邏輯器件，它們是在PAL,GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。同以往的PAL,GAL等相比較，F(xiàn)PGA/CPLD的規(guī)模比較大，它可以替代幾十甚至幾千塊通用IC芯片。這樣的FPGA/CPLD實(shí)際上就是一個(gè)子系統(tǒng)部件。這種芯片受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。經(jīng)過(guò)了十幾年的發(fā)展，許多公司都開(kāi)發(fā)出了多種可編程邏輯器件。比較典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，它們開(kāi)發(fā)較早，占用了較大的PLD市場(chǎng)。通常來(lái)說(shuō)，在歐洲用Xilinx的人多，在日本和亞太地區(qū)用ALTERA的人多，在美國(guó)則是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的?？梢灾vAltera和Xilinx共同決定了PLD技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)然還有許多其它類(lèi)型器件，如：Lattice，Vantis，Actel，Quicklogic，Lucent等。盡管FPGA,CPLD和其它類(lèi)型PLD的結(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)和長(zhǎng)處，但概括起來(lái)，它們是由三大部分組成的，一個(gè)二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成了PLD器件的邏輯組成核心。輸入/輸出塊：連接邏輯塊的互連資源。連線資源：由各種長(zhǎng)度的連線線段組成，其中也有一些可編程的連接開(kāi)關(guān)，它們用于邏輯塊之間、邏輯塊與輸入/輸出塊之間的連接。對(duì)用戶(hù)而言，CPLD與FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)稍有不同，但用法一樣，所以多數(shù)情況下，不加以區(qū)分。FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，它們除了具有ASIC的特點(diǎn)之外，還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 隨著VlSI(Very Large Scale IC，超大規(guī)模集成電路)工藝的不斷提高單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管，F(xiàn)PGA/CPLD芯片的規(guī)模也越來(lái)越大，其單片邏輯門(mén)數(shù)已達(dá)到上百萬(wàn)門(mén)，它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。(2) FPGA/CPLD芯片在出廠之前都做過(guò)百分之百的測(cè)試，不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)人員只需在自己的實(shí)驗(yàn)室里就可以通過(guò)相關(guān)的軟硬件環(huán)境來(lái)完成芯片的最終功能設(shè)計(jì)。所以，F(xiàn)PGA/CPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)。(3) 用戶(hù)可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動(dòng)的情況下用不同軟件就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。所以，用FPGA/PLD 試制樣片，能以最快的速度占領(lǐng)市場(chǎng)。FPGA/CPLD軟件包中有各種輸入工具和仿真工具，及版圖設(shè)計(jì)工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出FPGA/CPLD的優(yōu)勢(shì)。 CPLD工作原理 CPLD（Complex Programmable Logic Device），即復(fù)雜可編程邏輯器件。一種較PLD為復(fù)雜的邏輯元件。CPLD是一種用戶(hù)根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD器件特點(diǎn)：它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場(chǎng)合均可應(yīng)用CPLD器件。CPLD器件已成為電子產(chǎn)品不可缺少的組成部分，它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為電子工程師必備的一種技能。 FPGA工作原理FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA器件特點(diǎn)：(1) 采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶(hù)不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。(2) FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。(3) FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。(4) FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。(5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶(hù)可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。第4章 系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)下面以4位串行電子密碼鎖設(shè)計(jì)電路為例，來(lái)說(shuō)明在美國(guó) Altera 公司的QuartusⅡ開(kāi)發(fā)平臺(tái)上使用VHDL 進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程和方法。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有較高安全性和較低成本的通用電子密碼鎖，其具體功能要求如下：(1) 數(shù)碼輸入：每按下一個(gè)數(shù)字鍵，就輸入一個(gè)數(shù)值，并在顯示器上的最右方顯示出該數(shù)值，同時(shí)將先前輸入的數(shù)據(jù)依序左移一個(gè)數(shù)字位置。(2) 數(shù)碼清除：按下此鍵可清除前面所有的輸入值，清除成為“0000”。(3) 密碼更改：按下此鍵時(shí)會(huì)將目前的數(shù)字設(shè)定成新的密碼。(4) 激活電鎖：按下此鍵可將密碼鎖上鎖。(5) 解除電鎖：按下此鍵會(huì)檢查輸入的密碼是否正確，密碼正確即開(kāi)鎖。(6) 密碼預(yù)置：為管理員創(chuàng)建萬(wàn)用密碼以備管理。(7) 系統(tǒng)報(bào)警：開(kāi)鎖三次失敗后自動(dòng)報(bào)警。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本電路的主要控制部分和接口輸入部分都是在FPGA內(nèi)部通過(guò)VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，所以FPGA模塊為本設(shè)計(jì)的核心。根據(jù)系統(tǒng)要求的功能，以及FPGA芯片容量的分級(jí)，本論文選用ALTERA公司MAX7000S系列的EPM7128SLC器件作為主控芯片，它是一種基于乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜可編程邏輯器件，它的基本邏輯單元是由一些與、或陣列加上觸發(fā)器構(gòu)成，其中與或陣列完成組合邏輯功能，觸發(fā)器完成時(shí)序邏輯。它的邏輯控制靈活，可反復(fù)編程，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和修改，而且其集成度高，保密性好。作為通用電子密碼鎖，主要由三個(gè)部分組成：數(shù)字密碼輸入電路、密碼鎖控制電路和密碼鎖顯示電路。作為電子密碼鎖的輸入電路，可供選擇的方案有數(shù)字機(jī)械式鍵盤(pán)和觸摸式數(shù)字鍵盤(pán)等多種。雖然機(jī)械式鍵盤(pán)存在一些諸如機(jī)械產(chǎn)生的彈跳消除問(wèn)題和機(jī)械部分的接觸等問(wèn)題，但是和觸摸式的43鍵盤(pán)相比，機(jī)械式鍵盤(pán)具有低成本、可靠性高、構(gòu)成電路簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，因此將其應(yīng)用到通用數(shù)字電子密碼鎖中還是比較適宜的。本設(shè)計(jì)中采用一個(gè)43的通用數(shù)字機(jī)械鍵盤(pán)作為該設(shè)計(jì)的輸入設(shè)備。數(shù)字電子密碼鎖的顯示信息電路可采用LED數(shù)碼管顯示和液晶屏幕顯示兩種。液晶屏幕顯示具有高速顯示、高可靠性、易于擴(kuò)展和升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，但是普通液晶顯示屏存在亮度低、對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)，在低亮度的環(huán)境下還需要加入其他輔助的照明設(shè)備，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，因此本設(shè)計(jì)的顯示電路仍使用通用的LED數(shù)碼管。根據(jù)以上選定的輸入設(shè)備和顯示器件，并考慮到實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)字密碼鎖功能的具體要求，密碼鎖結(jié)構(gòu)框圖如圖41所示。圖41 密碼鎖結(jié)構(gòu)框圖鍵盤(pán)： 用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)輸入密碼，采用43數(shù)字機(jī)械式鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)顯示器： 用來(lái)顯示輸入的密碼，采用4個(gè)LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘脈沖器： 用來(lái)產(chǎn)生方波信號(hào)CPLD控制部分：核心部分，實(shí)現(xiàn)分頻、內(nèi)部邏輯、數(shù)字比較、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、譯碼等功能整個(gè)電子密碼鎖系統(tǒng)的總體組成框圖如圖42所示。(1) 密碼鎖輸入電路包括時(shí)序產(chǎn)生電路、鍵盤(pán)掃描電路、鍵盤(pán)彈跳消除電路、鍵盤(pán)譯碼電路等幾個(gè)小的功能電路。(2) 密碼鎖控制電路包括按鍵數(shù)據(jù)的緩沖存儲(chǔ)電路，密碼的清除、變更、存儲(chǔ)、激活電鎖電路(寄存器清除信號(hào)發(fā)生電路)，密碼核對(duì)(數(shù)值比較電路)，解鎖電路(開(kāi)/關(guān)門(mén)鎖電路)等幾個(gè)小的功能電路。(3) 七段數(shù)碼管顯示電路主要將待顯示數(shù)據(jù)的BCD碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼器的七段顯示驅(qū)動(dòng)編碼（數(shù)據(jù)選擇電路，BCD對(duì)七段顯示器譯碼電路，七段顯示器掃描電路）。圖42 電子密碼鎖系統(tǒng)總體框圖電子密碼鎖是由密碼鎖主體以及附加的外圍指示電路組成的，其中密碼鎖主體的主要作用是接收密碼并進(jìn)行密碼的驗(yàn)證操作；附加的外圍指示電路的主要作用是用來(lái)顯示輸入的密碼和根據(jù)密碼驗(yàn)證的結(jié)果來(lái)給出不同的指示燈顯示或者啟動(dòng)報(bào)警裝置，而報(bào)警裝置則通常采用揚(yáng)聲器。由于外圍電路（紅黃綠燈，報(bào)警器）較為復(fù)雜，我只能簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)一些思路。電子密碼鎖的功能如圖43所示：數(shù)字鍵盤(pán)門(mén)禁開(kāi)啟等待下次輸入內(nèi)部安鍵解除報(bào)警按鍵開(kāi)鎖密碼輸入密碼正確密碼錯(cuò)誤報(bào)警器鳴叫指示黃亮燈指示紅亮燈指示綠亮燈3次圖43 電子密碼鎖功能簡(jiǎn)圖 密碼鎖輸入電路的設(shè)計(jì)圖44是電子密碼鎖的輸入電路框圖，由鍵盤(pán)掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤(pán)譯碼電路、按鍵數(shù)據(jù)緩存器，加上外接的一個(gè)43矩陣式鍵盤(pán)組成。 圖44 密碼鎖的輸入電路框圖 1．矩陣式鍵盤(pán)的工作原理矩陣式鍵盤(pán)是一種常見(jiàn)的輸入裝置，在日常的生活中，矩陣式鍵盤(pán)在計(jì)算機(jī)、電話、手機(jī)、微波爐等各式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。圖45是一個(gè)43矩陣式鍵盤(pán)的面板配置圖，其中數(shù)字0～9作為密碼數(shù)字輸入按鍵，“*”作為“上鎖”功能按鍵，“”作為“解鎖/清除”功能按鍵（輸入數(shù)字小于4位時(shí)按下此鍵表示清除鍵，輸人數(shù)字等于4位時(shí)表示解鎖鍵）。123456789*0KY3..0KX2..0經(jīng)上拉電阻接VCC1101111010110111011101110圖45 43矩陣式鍵盤(pán)的面板配置鍵盤(pán)上的每一個(gè)按鍵其實(shí)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)某鍵被按下時(shí)，該按鍵的接點(diǎn)回呈現(xiàn)0的狀態(tài)，反之，未被按下時(shí)呈現(xiàn)邏輯1的狀態(tài)。掃描信號(hào)由KY3~KY0進(jìn)入鍵盤(pán)，變化的順序依次為1110—1101—1011—0111—1110。每一次掃描一排，依次地周而復(fù)始，例如現(xiàn)在的掃描信號(hào)為1011，代表目前正在掃描9這一排的按鍵，如果這排當(dāng)中沒(méi)有按鍵被按下的話，則由KX2~KX0讀出的值為111；反之當(dāng)7這個(gè)按鍵被按下的話，則由KX2~KX0讀出的值為011。根據(jù)上面所述原理，我們可得到各按鍵的位置與數(shù)碼關(guān)系如表41所示。表41 按鍵位置與數(shù)碼關(guān)系KY3~KY0111011101110110111011101101110111011011101110111KX2~KX0011101110011101110011101110011101110按鍵號(hào)123456789*0若從KX2~KX0讀出的值皆為1時(shí)，代表該列沒(méi)有按鍵被按下，則不進(jìn)行按鍵譯碼的動(dòng)作，反之，如果有按鍵被按下時(shí)，則應(yīng)將KX2~KX0讀出的值送至譯碼電路進(jìn)行編碼。2．密碼鎖輸入電路各主要功能模塊的設(shè)計(jì) (1) 時(shí)序產(chǎn)生電路本時(shí)序產(chǎn)生電路中使用了三種不同頻率的工作脈沖波形：系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖(它是系統(tǒng)內(nèi)部所有時(shí)鐘脈沖的源頭，且其頻率最高)、彈跳消除取樣信號(hào)、鍵盤(pán)掃描信號(hào)。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中需要使用多種操作頻率的脈沖波形時(shí)，最方便的方法之一就是利用一個(gè)自由計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生各種需要的頻率。也就是先建立一個(gè)N位計(jì)數(shù)器，N的大小根據(jù)電路的需求決定，N的值越大，電路可以分頻的次數(shù)就越多，這樣就可以獲得更大的頻率變化，以便提供多種不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)。若輸入時(shí)鐘為CLK，N位計(jì)數(shù)器的輸出為Q[N1..0]，則Q(0)為CLK的2分頻脈沖信號(hào)，Q(1)為CLK的4分頻脈沖信號(hào)，Q(2)為CLK的8分頻脈沖信號(hào)…… Q(N1)為CLK的2N分頻脈沖信號(hào)；Q(5 DOWNTO 4)取得的是一個(gè)脈沖波形序列，其值依次為00—01—10—11—00—01周期性變化，其變化頻率為CLK的25分頻，也就是32分頻。我們利用以上規(guī)律即可得到各種我們所需要頻率的信號(hào)或信號(hào)序列。(2) 鍵盤(pán)掃描電路掃描電路的作用是用來(lái)提供鍵盤(pán)掃描信號(hào)(表1中的KY3～KY0)的，掃描信號(hào)變化的順序依次為1110－1101－1011－0111－1110……依序地周而復(fù)始。掃描時(shí)依次分別掃描四列按鍵，當(dāng)掃描信號(hào)為1110時(shí)掃描KY3這一排按鍵；當(dāng)掃描信號(hào)為1101時(shí)，掃描KY2這一排按鍵；當(dāng)掃描信號(hào)為1011時(shí)掃描KY1這一排按鍵；當(dāng)掃描信號(hào)為0111時(shí)，掃描KY0這一排按鍵；每掃描一排按鍵就檢查一次是否有鍵被按下，如果這排沒(méi)有按鍵被按下就忽略，反之，如果出現(xiàn)被按下的鍵則立刻進(jìn)行按鍵編碼的動(dòng)作，且將編碼的結(jié)果儲(chǔ)存于寄存器中。 (3) 彈跳消除電路由于本設(shè)計(jì)中采用的矩陣式鍵盤(pán)是機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，因此在開(kāi)關(guān)切換的瞬間會(huì)在接觸點(diǎn)出現(xiàn)信號(hào)來(lái)回彈跳的現(xiàn)象，對(duì)于電子密碼鎖這種靈敏度較高的電路這種彈跳將很可能會(huì)造成誤動(dòng)作輸入，從而影響到密碼鎖操作的正確性。本設(shè)計(jì)中采用延時(shí)的軟件方法消除抖動(dòng)，若采樣信號(hào)檢測(cè)到輸入由“1”變到“0”或由“0”變?yōu)椤?”，先延時(shí)2個(gè)周期，仍舊檢測(cè)到是“0”或“1”，則說(shuō)明按鍵狀態(tài)確實(shí)發(fā)生了變化，否則當(dāng)作抖動(dòng)處理，不予理會(huì)；這樣就消除了抖動(dòng)。從圖46中可以觀察出彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，雖然只是按下按鍵一次然后放掉，然