基于CPLD的实验平台设计.doc

1 引言 随着科学技术的发展，尤其是微电子技术和计算机技术取得的重大进展，数字逻辑器件已由中、小规模的集成电路发展到大规模和超大规模可编程逻辑器件（PLD）（HDL）EDA工具进行设计[1]。 在现代电子系统设计领域，EDA技术已经成为电子系统设计的重要手段。无论是设计数字系统还是集成电路芯片，其设计作业的复杂程度都在不断增加，仅仅依靠手工进行设计已经不能满足要求，所有的设计工作都需要在计算机上借助于EDA软件工具进行。在EDA软件的支持下，设计者只需完成对系统功能的描述，就可以由计算机软件进行处理，得到设计结果，修改设计如同修改软件一样方便[2]。利用EDA设计工具，设计者可以预知设计结果，减少设计的盲目性，极大地提高设计的效率。 可编程逻辑器件是一种由用户编程实现所需功能的半定制集成电路，近年来发展十分迅速，已在国内外的计算机硬件、工业控制、智能仪表、数字视听设备、家用电器等领域得到了广泛的应用。可编程逻辑器件与EDA技术的结合，使得系统设计人员与芯片设计人员相互渗透，从而快速、方便地构建数字系统[3]。 由于可编程逻辑器件的价格不断降低，门密度不断增大，所以该器件取代中小规模数字集成电路只是时间问题[4]。可编程逻辑器件是数字系统设计中的首选器件，它增加系统可靠性、减少系统体积和功耗、缩短设计周期并降低系统成本。 本设计——基于CPLD的实验平台主计，即利用可编程逻辑器件（Altera半导体公司的在系统可编程逻辑器件）开发的一款简易实验板，可以达到目前学生的基本需求，非常方便的进行数字系统的设计与制作。从而不仅可以提高我们的实际操作能力，最重要的是可以掌握可编程逻辑器件的应用及开发。 本毕业设计是通过软件仿真实现，从利用Protel99设计电路图，到PCB版图实现，到PCB板制，软件实现指的是用VHDL语言进行编程，同时在MAX+plusII中编译和波形仿真。本毕业设计对于培养我们自己分析利用芯片技术资料选择芯片，熟练利用Protel99，MAXVHDL语言都有很大的帮助，同时还可以提高我们的思考能力和分析能力。 1.1 传统实验设备存在的问题 现代电子技术教学不仅要求同学们学会一般数字电路的原理，而且要求同学们能用中小规模数字电路设计一定复杂程度的数字系统。数字电路的实验也应该配合教材，从验证实验向设计性实验发展。 教学内容的改革迫切要求有与之配合物实验设备，但目前市场上主流的实验设备依然停留在传统的小规模通用集成电路与连线相结合的方式，设计中只能采用手工方法，使用分立器件、小规模集成电路及其组成的各种功能电路来完成实验，无法满足现代电子技术教学和学生实践能力培养的需要。 采用传统实验设备进行数字电路实验有如下缺点： ⑴为满足各种实验，需要种类繁多的数字集成电路，增加了实验费用和管理的难度，若是由于经费问题未购得所需的数字集成器件，则不能开设需要该器件的实验。 ⑵实验电路连线复杂，集成电路好坏难辨，经常导致实验的失败，并损坏实验电路或实验装置。 ⑶实验中，数字集成电路器件经常损坏严重，导致实验费用增加。 ⑷因为一个课程设计题目所需器件的种类多并且连线复杂，所以进行数字电路课程设计很困难。 ⑸中小规模集成电路在数字系统设计中已经很少使用，学生在学校不能学到新的数字系统的设计方法。 目前数字逻辑电路教学实验还是普遍采用TTL或CMOS器件。这些中小规模的简单逻辑器件不便于实验复杂逻辑功能，因此常常是以单元电路为主，使实验显得较单一，不利于学生对综合电路系统设计能力的提高。 1.2 现代实验设备的发展背景及前景 可编程逻辑器件（PLD）是新一代的数字逻辑器件，它不但具有很高的速度，集成度和可靠性，而且具有可重复定义逻辑功能（即可重复编程）的特点，使数字系统的设计非常灵活[5]。因此，越来越多的实验平台开发者开始使用CPLD来开发数字实验平台，解决传统实验设备中存在的各种问题。 北京邮电大学较早就开始了这方面的教学研究和探索，1996年北京邮电大学电路实验中心在学生的数字电路实验里引入了ATMEL公司的ATV2500这一中规模的PLD器件，使用ABEL语言进行电路设计。随着技术的发展，在教学里又引入了Altera公司的EPM7128及EPF10K10等中，大规模的CPLD及FPGA器件，开发语言也改为VHDL语言，使用MAX+plusII、QuartusII、synplify、ModelsimEPM7128S后就不能直接在面包板上搭电路了，因为使用的EPM7128S是PLCCISP（在系统编程），于是设计了一块专用PCB核心板，将EPM7128的所有管脚引出来，同时在上面设计了JTAG口的下载电路，可以使用计算机并口直接对其进行编程下载。把这块PCB板插到面包板上就可以使用它来完成各种数字电路实验设计了。目前，实验教学中