论述PFGACPLD在生活中各个领域的应用

郑州交通职业学院论文题目：论述PFGA/CPLD在生活中各个领域的应用所属系别信息工程系专业班级08大专电子信息工程技术一班姓名徐磊学号200808060830167指导教师朱永琴撰写日期2011年1月论述CPLD/FPGA在生活中各个领域的应用一、引言随着科学技术的进步，电子器件和电子系统设计方法日新月异，电子设计自动化（ElectronicsDesignAutomation，EDA）技术正是适应了现代电子产品设计的要求，吸收了多学科最新成果而形成的一门新技术。随着基于FPGA的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。为保证电子产品设计的速度和质量，适应“第一时间推出产品”的设计要求，EDA技术已成为不可缺少的一项先进技术和重要工具。我们这次研究设计的“基于FPGA的模拟信号检测处理系统”就是运用可编程逻辑器件为主系统芯片，用VHDL对其进行设计开发，系统完全依靠于数字化的测量，采用VHDL硬件描述语言，以FPGA器件作为控制的核心，使整个系统显得尤为精简，能达到所要求的技术指标，具有灵活的现场更改性，还有处理速度快，实时性好、可靠、抗干扰性强等优点。二、FPGA/CPLD概述FPGA(现场可编程门阵列)与CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件，它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL,GAL等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD市场。PLD是可编程逻辑器件（ProgramableLogicDevice）的简称，FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgramableGateArray)的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL)的进步。尽管FPGA,CPLD和其它类型PLD的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们是由三大部分组成的，一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD器件的逻辑组成核心。输入/输出块：连接逻辑块的互连资源。连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。对用户而言，CPLD与FPGA的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下，不加以区分。FPGA／CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片.FPGA的基本特点主要有：（1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。（2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。（3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。（5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。三、模拟信号检测处理系统分析1.数字系统的传统设计从概念上讲,凡是利用数字技术处理和传输信息的电子系统都可以称为数字系统。像其他电子系统一样，数字系统往往是采用传统的搭积木式的方法进行设计,在处理信号上面几乎都是A\D转换或者D\A转换。通过由器件搭成的电路板,由电路板搭成电子系统。数字系统最初的“积木块”是固定功能的标准集成电路。用户只能根据需要选择合适的器件，并按照器件推荐的电路搭成系统。在设计时，设计者几乎没有灵活性可言，搭成的系统所需的芯片种类多且数目大，故所需的市场成本自然就高了很多。2.基于芯片的设计方法利用EDA工具，采用可编程器件，通过设计芯片来实现系统功能，这种方法称为基于芯片的设计方法。新的设计方法能够由设计者定义器件的内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片的设计中进行。同时，基于芯片的设计可以减少芯片的数量，缩小系统体积，降低系统能耗，提高系统的性能和可靠性。可编程逻辑器件和EDA技术给今天的硬件系统设计者提供了强有力的工具，使得电子系统的设计方法发生了质的变化。传统的“固定功能集成块＋连线”的设计方法正逐步推出历史舞台，而基于芯片的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。可以说，当今的数字系统设计已经离不开可编程逻辑器件和EDA工具。本次课题是基于FPGA设计，实际上仍然采用VHDL语言编写源程序，并且通过Max+PlusⅡ10.0进行编译、仿真和下载实现其功能。模拟信号检测处理系统大致结构可以分为七个主要部分，即：8位二进制循环加法计数器、数据锁存器、数据处理模块、片选信号模块、进制转换模块、小数点控制模块和七段译码显示模块等。另外，在进行数据比较时上升沿和下降沿都会有毛刺出现，所以在CPLD的输入管脚出添加了消抖动模块。整体上看来，模块间的布局与功能衔接都是非常重要的。四、基于CPLD/FPGA的半整数分频器的设计4.1小数分频的基本原理小数分频的基本原理是采用脉冲吞吐计数器和锁相环技术先设计两个不同分频比的整数分频器，然后通过控制单位时间内两种分频比出现的不同次数来获得所需要的小数分频值。如设计一个分频系数为10.1的分频器时，可以将分频器设计成9次10分频，1次11分频，这样总的分频值为F=（9×10+1×11）/（9+1）=10.1从这种实现方法的特点可以看出，由于分频器的分频值不断改变，因此分频后得到的信号抖动较大。当分频系数为N-0.5（N为整数）时，可控制扣除脉冲的时间，以使输出成为一个稳定的脉冲频率，而不是一次N分频，一次N-1分频。4.2电路组成分频系数为N-0.5的分频器电路可由一个异或门、一个模N计数器和一个二分频器组成。在实现时，模N计数器可设计成带预置的计数器，这样可以实现任意分频系数为N-0.5的分频器。采用VHDL硬件描述语言，可实现任意模N的计数器（其工作频率可以达到160MHz以上），并可产生模N逻辑电路。之后，用原理图输入方式将模N逻辑电路、异或门和D触发器连接起来，便可实现半整数（N-0.5）分频器以及（2N-1）的分频。4.3半整数分频器设计现通过设计一个分频系数为2.5的分频器给出用FPGA设计半整数分频器的一般方法。该2.5分频器由模3计数器、异或门和D触发器组成。模3计数器该计数器可产生一个分频系数为3的分频器，并产生一个默认的逻辑符号COUNTER3。其输入端口为RESET、EN和CLK；输出端口为QA和QB。下面给出模3计数器VHDL描述代码libraryieee;useieee.std-logic-1164.all;useieee.std-logic-unsigned.all;entitycounter3isport(clk,reset,en:instd-logic;qa,qb:outstd-logic);endcounter3;architecturebehaviorofcounter3issignalcount:std-logic-vector(1downto0);beginprocess(reset,clk)、、、qa=count(0);qb=count(1)；endbehavior；任意模数的计数器与模3计数器的描述结构完全相同，所不同的仅仅是计数器的状态数。五、总结EDA技术是电子技术设计领域的一场革命，该技术已成为现今电子技术领域中不可缺少的一项技术。今天的EDA技术已经使得“从事IP开发的无芯片公司”和“无生产线的IC企业”成为可能，而且将可能成为我国现代电子技术的重要产业。同时，EDA技术正处于高速发展的阶段，前景将无可估量，因此掌握EDA技术是电子信息类专业学生、工程技术人员所必备的基本能力和技能。采用VHDL硬件描述语言，以FPGA器件作为控制的核心，使整个系统显得尤为精简，能达到所要求的技术指标，具有灵活的现场更改性，还有处理速度快，实时性好、可靠、抗干扰性强等优点。CPLD器件的优势在于缩短开发生产周期，现场灵活性好，而且随着电子技术的发展，其集成度越来越高，速度越来越快，价格也逐渐降低，因此市场发展很快。ATMEL公司的ATF1508AS是高性能、高密度的复杂可编程逻辑器件，使用方便，具有很高的性价比，因此具有广阔的应用前景。参考文献[1]黄正槿、徐坚等.2002.CPLD系统设计技术入门与应用.北京:电子工业出版社[2]卢毅、赖杰.2001.VHDL与数字电路设计.北京:科学出版社[3]潘松、黄继业.2002.EDA技术使用教程.北京:科学出版社[4]曾繁泰、陈美金.2001.VHDL程序设计.北京:清华大学出版社