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1、 长春工程学院毕业设计（论文）11 引言引言设计采用单片机和 FPGA 相结合的电路实现方案。考虑到 FPGA 具有集成度高，I/O 资源丰富，稳定可靠，可现场在线编程等优点，而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能，所以采用 FPGA 和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。自 1985 年 Xilinx 公司推出第一片现场可编程逻辑阵列(FPGA)至今，FPGA 已经成为当今电子设计应用市场上首选的可编程逻辑器件之一。从航空航天到数字信号处理，再到汽车家电等消费领域，无处不见 FPGA 的身影。而且，随着微电子等工艺的进步，FPGA 器件本身的性能逐年在提高，使得 FPGA 器件与其他同类
2、器件相比更有竞争力。在这个各类电子设计器件百花齐放的时代，广大消费者需要对这些电子设计器件有个更深入地了解，从而为自己的科研学习或工业生产挑选到既能满足各项性能指标要求，又经济实惠的合适的电子设计器件。因此，进行 FPGA 器件的应用研究并进行各类电子设计产品的性能优势对比分析是一项很有价值和实际意义的工作。 随着 EDA 技术的高速发展，电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化，大规模可编程逻辑器件 FPGA 的出现，给设计人员带来了诸多方便。利用它进行产品开发，不仅成本低、周期短、可靠性高，而且可以随时在系统中修改其逻辑功能。FPGA 器件的成本越来越低，Actel 公司发布第三代的基于
3、Flash 的可编程逻辑方案。这些新的 FPGA 芯片最低价将达到 1.5 美元，代表了全球最低成本的 FPGA，并且相对于基于SRAM 的 FPGA 来说具有保密的优势。基于 Flash 的 FPGA 可以提供加密、低功耗、上电工作、可重复编程的方案。目前生产 FPGA 的公司主要有 Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic等，生产的 FPGA 品种和型号繁多。尽管这些 FPGA 的具体结构和性能指标各有特色，但它们都有 一个共同之处，即由逻辑功能块排成阵列，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块，从而实现不同的设计。典型的 FPGA 通常包含三类基本资源
4、：可编程逻辑功能块、可编程输入/输出块和可编程互连资源。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入/输出块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互连资源包长春工程学院毕业设计（论文）2括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。不同厂家或不同型号的 FPGA，在可编程逻辑块的内部结构、规模、内部互连的结构等方面经常存在较大的差异。除了上述构成 FPGA
5、基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用系统需求的发展，一般在 FPGA 中还可能包含以下可选资源：存储器资源（块 RAM、分布式RAM） ；数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟、时钟锁定） ；算数运算单元（高速硬件乘法器、乘加器） ；多电平标准兼容的 I/O 接口；高速串行 I/O 接口；特殊功能模块（以太网 MAC 等硬 IP 核） ；微处理器（PowerPC405 等硬处理器 IP 核） 。下面介绍两种 FPGA 的一般结构。第一种包括 5 个可配置部分：（1）可配置逻辑块，用于实现大部分逻辑功能；（2）在可配置逻辑块的四周分布着可编程的输入输出块（Input/Output Blo
6、cks） ，提供封装引脚与内部逻辑之间的连接接口；（3）丰富的多层互连结构的可编程连线；（4）片上的随机存取块状 RAM；（5）全数字式延迟锁相环（DLL）时钟控制块，与每个全局时钟输入缓冲器相连，该闭环系统确保时钟边沿到达内部触发器与其到达输入引脚同步，有效地消除时钟分配的延迟。另一种 FPGA 器件主要包括：（1）逻辑阵列，由多个逻辑阵列块（Logic Array Blocks）排列而成，用于实现大部分逻辑功能；（2）在芯片四周分布着可编程的输入输出单元（Input/Output Elements） ，提供封装引脚与内部逻辑之间的连接接口；（3）丰富的多层互连结构的可编程连线；（4）片上的
7、随机存取块状 RAM；（5）锁相环（PLL） ，用于时钟的锁定与同步、能够实现时钟的倍频和分频；长春工程学院毕业设计（论文）3（6）高速的硬件乘法器，有助于实现高性能的 DSP 功能。目前绝大部分 FPGA 都采用查找表技术，最基本逻辑单元都是由 LUT 和触发器组成的。查找表简称为 LUT，本质上就是一个 RAM。目前 FPGA 中多使用 4 输入的 LUT，所以每一个 LUT 可以看成一个有 4 位地址线的 16x1 的 RAM。当用户通过原理图或 VHDL 语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入 RAM。这样，每输入一个信号进行
8、逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出该地址对应的内容，然后输出即可。由于 LUT 主要适合 SRAM 工艺生产，所以目前大部分 FPGA 都是基于 SRAM 工艺的。而 SRAM 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，因此需要外加一片专用的配置芯片。在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到 FPGA 中，FPGA 就可以正常工作。少数 FPGA 产品采用反熔丝或 Flash 工艺，掉电后配置信息不会丢失，因此这种 FPGA 芯片不需要外加的专用配置芯片。单片机集成度高、功耗低、速度快、价格便宜、实用灵活、开发周期短。自从20 世纪 80 年代单片机首次推出以来，一经上市便显示出强大的生命力，
9、以其独特的优点迅速占领市场并获得了广泛使用，并且很快在全世界得到广泛的推广与应用。一直到现在，单片机技术正日臻完善，国内外的单片机热更是经久不衰，对于电子信息产业的发展更具有“倍增器”的作用。因此新型单片机已成为 21 世纪极具发展潜力和影响力的一项电子科技产品。目前，单片机正朝着兼容性、单片系统化、多功能和低功耗的方向发展。单片机与单片系统、智能传感器、网络通信等高新技术的融合必将成为 21 世纪新的经济增长点。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，单片机升级换代的速度在不断加快，涉及新型单片机原理、接口技术、外围电路设计及应用技术的知识也在不断更新。该设计中系统实现的增益程控放大功能和增益
10、程控衰减功能主要是通过单片机、单片机外围电路、接口技术以及一些单片机原理来完成的，单片机成了整个电路中的“中心枢纽” ，在功能键的控制下，单片机来完成对各个模块的控制。在整个过程中，单片机完成信号的接受、处理、传出，在人为的操作下，控制着整个电路的工作状态。随着电子技术的高速发展，现在的电子系统逐渐实现了智能化、人性化、最优化，并且富有了系统性、社会性。除了能够满足系统功能和性能指标要求外，还具有很多优点：如电路简单、电磁兼容性好、可靠性高、系统集成度高、调试简单方便、操作长春工程学院毕业设计（论文）4简便、性能价格比高。从系统的角度看，电子系统是能按特定的控制信号，执行所设想的功能，由一组元
11、器件（通常电子器件）连成的一个整体。从单级放大器到最复杂的计算机等很多设备都可以称为一个电子系统。可以从很多元器件集成为一个功能单元，再用若干个功能单元去描述一个系统。一般来说，电子系统分为模拟型、数字型及两者兼而有之的混合型三种，无论哪一种电子系统，他们都是能够完成某种任务的电子设备。通常把规模较小、功能单一的电子系统称为单元电路，实际应用中的电子系统由若干单元电路组成。一般的电子系统由输入、输出、信息处理三大部分组成，用来实现对信息的采集处理、变换与传输功能。对于模拟电子系统，输入电路主要起到系统与信号源的阻抗匹配，信号的输入与输出连接方式的转换，信号的综合等作用，输出电路主要解决与负载或
12、被控对象的匹配和输出足够大的功率去驱动负载的问题。而对于数字电子系统，输入与输出电路主要解决与现场信号和控制对象的接口问题，输入电路往往由一些转换器或锁存器组成，而输出电路也由一些对应的转换器和驱动器组成。在工业和民用场合，为了对各种低频信号进行测量分析，常常引入相位测量仪。同频信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。尤其在工业领域中，相位不仅是衡量安全的重要依据，还可以为节约能源提供参考。因此，研究和设计低频数字相位测量仪将会为国民经济的发展起到推动和促进作用。长春工程学院毕业设计（论文）52 概述2.1 FLEX10KK 简介
13、FLEX10K 是工业界第一个嵌入式的可编程逻辑器件，采用可重构的 CMOS SRAM 工艺，把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时也结合了众多可编程器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。FLEX10K 的集成度已达到 25 万门。它能让设计人员轻松地开发出集存储器、数字信号处理器及特殊逻辑（包括 32 位多总线系统）等强大功能于一身的芯片，已经推出了 FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KV、FLEX10KE 等分支系列。其中 EPF10K20 是 FLEX10K 系列器件之一。FLEX10K 系列器件主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、快速通道（FAST TRACK）互
14、连和 I/O 单元四部分组成。由于 FPGA 器件的基于 SRAM 结构，数据具有挥发性，所以每次上电使用时必须重新下载数据。对 FPGA 数据下载可通过下载电缆、专用配置芯片或微处理器等方式完成。在本设计中，采用配置芯片 EPC1441 来完成。EPC1441 配置芯片属于 EPROM 结构，而不具有可擦写性。2.2 VHDL 硬件描述语言2.2.1 VHDL 语言的发展状况1VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,诞生于 1982 年。1987 年底，VHDL 被 IEEE（T
15、he Institute of Electrical and Electronics Engineers)和美国国防部却认为标准硬件描述语言。自 IEEE 公布了VHDL 的标准版本（IEEE-1076)之后，各 EDA 公司相继推出了自己的 VHDL 设计环境，或宣布自己的设计工具可以和 VHDL 接口。此后 VHDL 在电子设计领域得到了广泛的接收，并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。1933 年，IEEE 对 VHDL 进行论文修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 VHDL 的内容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 标准的 1076-1993 版本。现在，VHDL 和 Ve
16、rilog 语言作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言，又得到众多 EDA 公司的支持，在电子工程领域，以成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新世纪中，VHDL 语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务。2.2.2 VHDL 的特点VHDL 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特长春工程学院毕业设计（论文）6征的语句外，VHDL 的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计，或设计实体（可以是一个元件、一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，即端口）和内部（或称不可视部分） ，即设计实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦内部开发完成后，其他的设计可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是 VHDL系统设计的基本点。应用 VHDL 进行工程设计的优点是多方面的，具体如下：与其它的硬件描述语言相比，VHDL 具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行
