在Protel99SE开发软件中实现FPGA/CPLD系统的设计

１、引言

在以往的ＤＳＰ设计中，采用ＴＴＬ、ＣＭＯＳ电路和专用数字电路进行设计时，器件对电路的处理功能是固定的，用户不能定义或修改其逻辑功能。但随着电子技术的发展和工程对所需功能复杂程度的进一步提高，系统将需要很多芯片，这样，在芯片之间，以及芯片和印刷电路板的布线和接点也相应增多，因而导致系统的可靠性下降和功耗增加，这样也就越来越不能满足工程实际的需要。而大规模可编程逻辑器件ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ　和基于芯片的ＥＤＡＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ电子设计自动化　工具软件则可以解决这一问题。半导体技术的提高使ＡＳＩＣＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：特定用途集成电路　设计技术日趋完善，同时可编程逻辑器件在结构、工艺、集成度、功能、速度、灵活性等方面的改进和提高，也为高效率、高质量、灵活设计数字系统提供了可靠性。此外，ＣＰＬＤＣｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏ-ｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ　或ＦＰＧＡＦｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ａｒｒａｙ　技术的出现，又为ＤＳＰ提供了一种崭新的方法，并使ＣＰＬＤ或ＦＰＧＡ设计的ＤＳＰ系统具有良好的实用性和极强的实时性。

在Ｐｒｏｔｅｌ９９ｓｅ嵌套的ＰＬＤ９９的开发环境下，可编程逻辑器件设计可以直接面向用户要求，自上而下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成能够下载到器件的ＪＥＤ文件，该方法结构严谨，易于操作，其设计流程如图１所示。

２、实例介绍

在某工程中，要求利用ＳＹＮ０，ＳＹＮ１，ＳＹＮ２，ＳＹＮ３，ＳＹＮ４，ＳＹＮ５作为同步信号进行６４个通道的选择，以使６４个通道在不同时刻进行工作，电路产生的发射脉冲连接在６４个双晶探头上，然后将双晶探头产生的原始回波信号ａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１经过ＡＤ８１８４四选一开关

输出到信号板进行处理。

３、设计过程

3．１ 确定设计目的

由于每一通道的电路都是相同的，考虑到硬件电路以及电路板容量的问题，可先将６４个通道分成１６组，即每块电路ＰＣＢ板设计四个通道，这１６组利用ＳＹＮ２，ＳＹＮ３，ＳＹＮ４，ＳＹＮ５和拨码开关Ｓ１选通，然后利用ＳＹＮ０，ＳＹＮ１产生选通每块电路板的四个通道的选通信号Ａ０、Ａ１和输出使能ＥＮ，其电路原理如图２所示，信号的先后次序及逻辑关系见图３。

３．２ ＰＬＤ器件的选择和输入输出的确定

由于ＣＵＰＬ语言与器件和生产厂家无关，根据设计目的和要求，最简单、最常用的ＧＡＬ２２Ｖ１０可以作为目标器件。根据ＧＡＬ２２Ｖ１０的技术资料和器件各个管脚的定义，可将同步信号ＳＹＮ０，ＳＹＮ１，ＳＹＮ２ ，ＳＹＮ３，ＳＹＮ４，ＳＹＮ５和拨码开关Ｓ１的四个管脚作为输入信号，即选择２～１１为输入管脚，１３脚直接接地，１４～２０为输出管脚，其中１４～１７脚用来进行通道选择，１８、１９脚作为ＡＤ８１８４的选通信号，２０脚作为ＡＤ８１８４的输出使能，参见图２。

３．３ 创建包括头信息的源文件

在ＰＬＤ９９的开发环境下，根据上述设想及管脚分配，利用Ｐｒｏｔｅｌ９９ｓｅ模板和硬件描述语言ＣＵＰＬ定义输入输出管脚，以创建包括头信息的文本文件Ｔａｎ-Ｓｈａｎｇ．ｐｌｄ，然后用ＣＵＰＬ语言写出如下的中间变量逻辑式和逻辑等式注：由于描述变量ＥＮ的乘积项过多，故将变量ＥＮ分成中间变量ＥＮ１和ＥＮ２　，并完善文本文件。经过一系列设置后便可编译原文件，编译成功后会提示Ｃｏｍｐｉｌａｔｉｏｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ，方法如下：

／＊＊ Ｄｅｃｌａｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｖａｒｉａｂｌｅｓ ＊＊／

ＥＮ１＝！（ｋ１ ＆ ｋ２ ＆ ｋ３ ＆ ｋ４ ＆ ｓｙｎ２ ＆ ｓｙｎ３ ＆ ｓｙ

ｎ４ ＆ ｓｙｎ５

＃！ｋ１ ＆ ｋ２ ＆ ｋ３ ＆ ｋ４ ＆ ！ｓｙｎ２ ＆ ｓｙｎ３ ＆ ｓｙｎ４

＆ ｓｙｎ５

＃ｋ１ ＆ ！ｋ２ ＆ ｋ３ ＆ ｋ４ ＆ ｓｙｎ２ ＆ ！ｓｙｎ３ ＆ ｓｙｎ４

＆ ｓｙｎ５

＃！ｋ１ ＆ ！ｋ２ ＆ ｋ３ ＆ ｋ４ ＆ ！ｓｙｎ２ ＆！ｓｙｎ３ ＆ ｓｙｎ４

＆ ｓｙｎ５

＃ｋ１ ＆ ｋ２ ＆ ！ｋ３ ＆ ｋ４ ＆ ｓｙｎ２ ＆ ｓｙｎ３ ＆ ！ｓｙｎ

４ ＆ ｓｙｎ５

＃！ｋ１ ＆ ｋ２ ＆ ！ｋ３ ＆ ｋ４ ＆ ！ｓｙｎ２ ＆ ｓｙｎ３ ＆ ！ｓｙｎ

４ ＆ ｓｙｎ５

＃ｋ１ ＆ ！ｋ２ ＆ ！ｋ３ ＆ ｋ４ ＆ ｓｙｎ２ ＆ ！ｓｙｎ３ ＆ ！ｓ

ｙｎ４ ＆ ｓｙｎ５

＃！ｋ１ ＆ ！ｋ２ ＆ ！ｋ３ ＆ ｋ４ ＆ ！ｓｙｎ２ ＆！ｓｙｎ３ ＆ ！

ｓｙｎ４ ＆ ｓｙｎ５　

ＥＮ２＝！（ｋ１ ＆ ｋ２ ＆ ｋ３ ＆ ！ｋ４ ＆ ｓｙｎ２ ＆ ｓｙｎ３

＆ ｓｙｎ４ ＆ ！ｓｙｎ５

＃！ｋ１ ＆ ｋ２ ＆ ｋ３ ＆ ！ｋ４ ＆ ！ｓｙｎ２ ＆ ｓｙｎ３ ＆ ｓｙ

ｎ４ ＆！ｓｙｎ５

＃ｋ１ ＆ ！ｋ２ ＆ ｋ３ ＆！ｋ４ ＆ ｓｙｎ２ ＆！ｓｙｎ３ ＆ ｓｙｎ

４ ＆ ！ｓｙｎ５

＃！ｋ１ ＆ ！ｋ２ ＆ ｋ３ ＆ ！ｋ４ ＆ ！ｓｙｎ２ ＆ ！ｓｙｎ３ ＆

ｓｙｎ４ ＆ ！ｓｙｎ５

＃ｋ１ ＆ ｋ２ ＆ ！ｋ３ ＆ ！ｋ４ ＆ ｓｙｎ２ ＆ ｓｙｎ３ ＆！ｓｙｎ

４ ＆ ！ｓｙｎ５

＃！ｋ１ ＆ ｋ２ ＆ ！ｋ３ ＆ ！ｋ４ ＆ ！ｓｙｎ２ ＆ ｓｙｎ３ ＆ ！

ｓｙｎ４ ＆！ ｓｙｎ５

＃ｋ１ ＆ ！ｋ２ ＆ ！ｋ３ ＆ ！ｋ４ ＆ ｓｙｎ２ ＆！ｓｙｎ３ ＆ ！ｓｙｎ

４ ＆ ！ｓｙｎ５

＃！ｋ１ ＆ ！ｋ２ ＆ ！ｋ３ ＆ ！ｋ４ ＆！ｓｙｎ２ ＆ ！ｓｙｎ３ ＆！ｓｙｎ

４ ＆！ｓｙｎ５）;／＊＊ Ｌｏｇｉｃ Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ＊＊／

ＥＮ＝ＥＮ１＆ＥＮ２

Ａ１＝！ｓｙｎ１ ＆！ＥＮ

Ａ０＝！ｓｙｎ０ ＆！ＥＮ

ａ＝！Ａ１＆！Ａ０＆ ！ＥＮ

ｂ＝！Ａ１＆Ａ０＆ ！ＥＮ

ｃ＝Ａ１＆！Ａ０＆ ！ＥＮ

ｄ＝Ａ１＆Ａ０＆！ＥＮ

３．４ 设置仿真向量

通过创建仿真测试文件ＴａｎＳｈａｎｇ．ＳＩ可进行仿真测试，当编译和仿真成功后，即可得到可下载到可编程逻辑器件的ＪＥＤ文件。该仿真测试文件Ｔａｎｓｈａｎｇ．ＳＩ如下：

ＯＲＤＥＲ：ｓｙｎ５，ｓｙｎ４，ｓｙｎ３，ｓｙｎ２，ｓｙｎ１，ｓｙｎ

０，ｋ４，ｋ３，ｋ２，ｋ１，ＯＥ，ＥＮ，Ａ１，Ａ０，ａ，ｂ，ｃ，ｄ；

ＶＥＣＴＯＲＳ：

００００００００００１ＬＨＨＬＬＬＨ

０００００１００００１ＬＨＬＬＬＨＬ

００００１０００００１ＬＬＨＬＨＬＬ

００００１１００００１ＬＬＬＨＬＬＬ

从仿真结果很明显地可以看出：拨码开关的四位Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４分别代表００～０Ｆ（十六进制码）这１６组，而每组的四个通道的输出为ａ，ｂ，ｃ，ｄ；由于ＳＹＮ０，ＳＹＮ１，ＳＹＮ２，ＳＹＮ３，ＳＹＮ４，ＳＹＮ５可组成００～３Ｆ（十六进制码）共６４个通道，从而实现了利用ＳＹＮ０，ＳＹＮ１，ＳＹＮ２，ＳＹＮ３，ＳＹＮ４，ＳＹＮ５分时选通６４个通道回波信号的功能。由于ＥＮ始终为低电平信号，因此保证了ＡＤ８１８４的选通信号能够起作用。

４、结论

利用Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒｏｔｅｌ ＰＬＤ９９的硬件描述语言ＣＵＰＬ进行ＰＬＤ设计，具有设计简单、可操作性强的优点，在采用可编程逻辑器件进行系统设计时，由于其硬件描述语言ＣＵＰＬ能够定义内部逻辑和外接管脚的功能，而且在设计中根本不必考虑逻辑器件内部连线和组合逻辑阵列？Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ａｎｄ Ｃｏｍｂｉｎａｔｏ-ｒｉａｌ Ｌｏｇｉｃａｌ？，再加上除了系统行为和功能描述外，所有设计过程都可以用计算机自动完成，所以，通过可编程逻辑器件？ＦＰＧＡ？等开发工具，在实验室就可以设计出专用的集成电路，从而真正实现电子设计自动化。由此可见：该方法并为数字系统的设计提供了非常方便的手段，灵活地解决了众多复杂的工程实践问题，从而可大大缩短研发时间。

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