【正文】 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。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]。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]。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]。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。 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。 EDA 技術(shù)的應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在已涉及到各行各業(yè)。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]。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)。但各國也正在努力開發(fā)相應(yīng)的工具。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。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]。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。 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)。 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(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。 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]。 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]。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)。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。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(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]。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)。 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)。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]。 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(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]。為了與臺(tái)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]。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。開展 “數(shù)控化 ”工程和 “數(shù)字化 ”工程。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。 在 EDA 軟件開發(fā)方面，目前主要集中在美國 [2]。日本、韓國都有 ASIC 設(shè)計(jì)工具，但不對(duì)外開放 。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。 EDA 技術(shù)發(fā)展迅猛，完全可以用日新月異來描述。 EDA 水平不斷提高，設(shè)計(jì)工具趨于完美的地步。 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。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。 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。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。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。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)。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]。 Protel 99SE 主要應(yīng)用于電子電路原理圖的設(shè)計(jì) 。 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 。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）。 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。原理圖的設(shè)計(jì)可按下面過程來完成。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。 （ 2）設(shè)置 Protel 99/Schematic 設(shè)計(jì)環(huán)境 。 （ 3）旋轉(zhuǎn)零件 。 （ 4）原理圖布線 。 （ 5）調(diào)整線路 。 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]。 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(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。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) 。 跑表功能時(shí)，可以同時(shí)記錄多人成績。 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(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]。 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。 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。 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)。 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。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。 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） 。 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。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)。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。 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。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)。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)。再按下 KEY2 鍵， 計(jì)時(shí)停止。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。 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 。 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。 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。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]。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]。它的內(nèi)部連線均采用集總式互聯(lián)通路結(jié)構(gòu)，即利用同樣長度的一些連線實(shí)現(xiàn)邏輯之間的互聯(lián)，任意兩邏輯單元之間的延時(shí)是相等并可預(yù)測(cè)的。其中 MAX7000 系列采用增強(qiáng)型可編程連線陣列，可用門為 600～ 5000 個(gè)，具有 32～ 256 個(gè)宏單元和 36～ 164 個(gè)用戶 I/O 引腳，采用 E2PROM 工藝 [8]。它的編程采用了在系統(tǒng)可編程（ ISP）技術(shù)。最后本設(shè)計(jì)選擇了 Altera 公司的在系統(tǒng)可編程芯片EPM7128SLC8415。 下面 具體介紹 EPM7128SLC8415。 3. EPM7128SLC8415 引腳說明 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 EPM7128SLC8415 各管腳功能如表 所示，其引腳圖如圖 所示 [8]。芯片放入底座后形式如下圖所示 ： 圖 器件放入 PLCC 座中的正視圖 2021 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 4. EPM7128SLC8415 內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明 [9] 圖 EPM7128SLC8415 器件結(jié) 構(gòu)圖 如圖 所示， EPM7128SLC8415 內(nèi)部結(jié)構(gòu)由 8 個(gè)相似的邏輯陣列塊（ Logic Array Block,LAB）、一個(gè)可編程內(nèi)連矩陣（ PIA）和多個(gè)輸入 /輸出控制塊 (I/O Block)組成 [9]。 每個(gè)器件包含了 4 個(gè)專用輸入，即可用作通用輸入，也可作為每個(gè)宏單元和 I/O 引腳的高速、全局控制信號(hào)，如時(shí)鐘（ Clock）、清除（ Clear）和輸出使能（ OE）。 （ 1）邏輯陣列塊 EPM7128SLC8415 芯片的結(jié)構(gòu)主要由邏輯陣列塊（ LAB）和它們之間的連線構(gòu)成。全局總線由所有的專用輸入、 I/O 引 腳和宏單元饋給信號(hào)。 （ 2）宏單元 EPM7128SLC8415 芯片宏單元由邏輯陣列、乘積項(xiàng)選擇矩陣和可編程觸發(fā)器 3 個(gè)功能塊組成。 “乘積項(xiàng)選擇矩陣 ”分配這些乘積項(xiàng)作為到 “或 ”門和 “異或 ”門的主要邏輯輸入，以實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)；或者把這些乘積項(xiàng)作為宏單元中觸發(fā)器的輔助輸入，即清除、置位、時(shí)鐘和時(shí)鐘使能控制。這個(gè) “可共享 ”的