數字電子系統的EDA設計方法研究

0 引 言
??? 隨著計算機與微電子技術的發展，電子設計自動化EDA領域已成為電子技術發展的主體，數字系統的設計正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發展。推動該潮流發展的引擎，就是日趨進步和完善的CPLD(Complex Programmable Logic Device)設計技術。而電子設計自動化，是近幾年迅速發展起來的將計算機軟件、硬件、微電子技術交叉運用的現代電子設計學科，其中EDA設計語言中的VHDL語言是一種快速的電路設計工具，功能涵蓋了電路描述、電路合成、電路仿真等三大電路設計工作。該數字電壓表的電路設計，正是用VHDL語言完成的。此次設計主要應用美國Altera公司自行設計的一種CAE軟件工具，即Max+PlusⅡ軟件。

1 數字電壓表的構成及工作原理
??? 數字電壓表是諸多數字化儀表的核心與基礎。以數字電壓表為核心擴展成的各種數字化儀表，幾乎覆蓋了電子電工測量、工業測量、自動化系統等各個領域。
1．1 數字電壓表
??? 數字電子系統通常由ASIC芯片和外圍硬件設備組成，具有靈活性不強等缺陷。如圖1所示的數字電壓表，A／D轉換器在控制ASIC所提供的時序信號作用下，對輸入模擬信號進行轉換，控制核心再對轉換結果進行運算和處理，最后驅動輸出裝置顯示數字電壓信號。由于系統功能由ASID硬件結構決定，其功能難以更新和擴展。如果用EDA方法設計，即以可編程邏輯器件CPLD代替ASIC芯片，用硬件描述語言決定系統功能，就可在硬件不變的情況下修改程序以更新和擴展功能，使其靈活性顯著提高。基于此考慮，用EDA方法設計了一個簡易數字電壓表控制電路，旨在研究提高數字電子系統靈活性的設計方法。

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1．2 數字電壓表的工作原理
??? 數字電壓表的改進結構如圖2所示，它的硬件包括三個部分，其中轉換器ADC0804的作用是將模擬電壓信號轉換成數字電壓值，并送到CPLD以待運算和處理；七段數碼顯示器的作用是接收CPLD轉換后的BCD數據并顯示；CPLD兼有處理和協調作用，包括控制A／D轉換動作、接收A／D轉換結果及編碼、驅動顯示等作用。因此，CPLD可分為三個功能模塊，即控制模塊、計算模塊和顯示驅動模塊。

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2 CPLD設計
??? 由以上分析，數字電壓表的CPLD設計，適合于頂層電路與三個底層模塊相結合的設計方法，其中顯示驅動模塊有標準的七段顯示VHDL子程序可供調用。下面僅論述其余兩模塊的設計

2．1 控制模塊的設計
??? 該模塊的任務是，控制ADC0804的工作時序，可分為S0～S3四個連續的步驟或狀態。任務分別是：使ADC0804準備轉換(狀態S0)、轉換(狀態S1)、CPLD準備讀取轉換結果(狀態S2)、讀取轉換結果(狀態S3)。各狀態由CPLD輸出腳CS、WR、RD的不同電平組合確定，主要的VHDL語句為：

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2．2 計算模塊
??? 該模塊將A／D轉換結果分為高低4位，查表依次得到其BCD碼后再進行計算，計算結果與A／D轉換器的位寬和參考電壓Vref均有關。本文選用8位轉換器ADC0804，參考電壓為5．12 V，故能輸出從0～5．12 V按照0．02 V步進變化的256(28)個離散值。如表1所示。

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??? 電壓離散值可用8位二進制(或2位十六進制數)表示，表1中列出了輸出數字電壓高4位及低4位可能出現的16個值。如果CPLD從ADC20804接收到信號01101000B(即68H)，對照表1高4位0110B是1．92 V，而低4位1000B是0．16 V，則最后的電壓輸出結果是1．92+0．16=2．08 V。
??? 本文要求精確到兩位小數0．01 V，故將輸出電壓表示成12位的BCD碼形式。如上述的1．92 V是(000110010010)BCD，0．16 V是(000000010110)BCD，相加結果2．08 V是(001000001000)BCD。同理，若CPLD轉換數據01110000B(即70H)，則計算結果2．24 V是(001000100100)BCD。因此計算模塊的設計主要包括一個12位的加法器及與之對應的存儲器

主要VHDL語句如下：

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3 仿真結果
??? CPLD設計完成后，用Max+Plus II軟件編譯和仿真，波形如圖3所示。由圖3可知，CPLD工作時，先啟動控制模塊，它對模數轉換的一次控制由四個狀態組成。在狀態S0，選定ADC0804，為模數轉換做準備；在狀態S1，使ADC0804進行轉換，當CPLD的INTR信號端由高電平轉為低電平時，模數轉換結束進入下一狀態S2，為讀取轉換結果做準備；在狀態S3，CPLD讀取模數轉換結果。接著，CPLD的計算模塊工作，求出二進制模數轉換數據的12位BCD碼。最后啟動顯示驅動模塊，用數碼管顯示有兩位小數的數字電壓值。例如，模數轉換結果即CPLD的輸入信號Din[7．．0]若為68H，則輸出電壓Dout[11．．0]是2．08 V，Din[7．．0]為70H時，輸出電壓Dout[11．．0]是2．24 V，符合設計要求。

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4 結 語
??? 本文數字電壓表的功能由VHDL程序決定，用Max+Plus II軟件編譯、仿真和邏輯綜合后，下載到CPLD芯片EPF10K10LC84-4。CPLD工作主頻為100 MHz，邏輯綜合占用了174個邏輯單元，資源利用率為30％。本文所設計的數字電壓表電路板已通過硬件測試，能測量和顯示0～5 V的弱電壓信號，準確度為0．02 V，并已在我校EDA工程實訓中心測試成功。保持CPLD芯片不變，將輸入信號改為溫度信號、濕度等信號分別測試時，均能顯示相應的數字值，因此，基于這種設計方法的數字電子系統具有很強的靈活性。