扩音器的制作

电信学院

毕业论文

论文题目（基于EPM240可编程逻                     辑器系统的设计与实现）

班    级：电信09306

             *    ****

      专    业：电子信息工程技术

             指导教师：***

摘  要

   以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为核心的数字系统设计，以其编程灵活、集成度高、开发周期短、保密性强等优点被广泛地应用于仪器仪表、汽车电子、航空航天等领域。基于以Altera公司MAX II器件系列EPM240T为核心器件，应用CPLD实现了硬件电路设计、开发板的制作。

    当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。  

    本文较详细地讨论了编程逻辑器件EPM240的结构以及各部分的作用，并对其功能进行分析。

    关键词：CPLD；EPM240；硬件电路;设计结构;功能分析。

3 EMP240的介绍………………………………………

1 概述

1.1 名称:基于EPM240可编程逻辑器系统的设计与实现。

CPLD用EPM240T100C5，该芯片有240个逻辑单元，等效宏单元是192个，资源比较丰富，内有8Kbit Flash的存储空间；12MHz的晶振，为CPLD提供主时钟；ADC0804芯片，用于做模数转换实验，将配合实验9来让大家了解AD的工作。同时让大家了解如何利用CPLD驱动AD和了解状态机；8位按键，让大家了解对按键操作的控制，了解用CPLD检查脉冲和按键消抖控制；DAC0832芯片，用于做数模转换实验，将配合实验10来让大家了解与掌握DA的使用和DDS（直接数字频率合成器）的设计方法；电位器，配合P5做实验九AD控制显示实验；8X8点阵，用于做字符显示实验；8位拨码开关可以配合一些实验，作为输入控制信号；蜂鸣器，可以配合按键使用；6位数码管，采用的是动态连接的方法，用于动态显示实验，在实验中有很多地方应用到数码管显示；电源插座，用于供电，输入直流电7.5V～9V；USB座，用于连接计算器USB口，可以提供5V电压，本开发板使用的核心芯片是EPM240，供电电压为3.3V，直接用USB供电就可以；12个彩灯，使用矩阵排列法，这个彩灯主要是对交通灯实验，模拟一个十字路口的交通灯控制电路；插针P5，用于AD实验用，IN脚是AD的输入（即中间的引脚），左边的引脚是电位器的输入引脚；将最左边的引脚和中间的引脚跳线连接，就调整变阻器就可以做实验了；插针P6，用于DA实验用，OUT为信号的输出，为P6左边的引脚；插针P2，是EPM240的最上面的一排I/O的外扩口，可以便于大家做扩展实验；插针P8，是EPM240的最右面的一排I/O的外扩口，可以便于大家做扩展实验。

1.2 设计产品的用途

2 可编程逻辑器件CPLD

CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现数字系统设计。以Ahera公司MAX II器件系列EPM240T为核心，PS／2接口电路、矩阵键盘、RS232串口通信以及LED动静态显示为外围电路的CPLD开发板设计与实现。CPLD开发板进行设计采用Altium Designer9．0完成电路原理图绘制及PCB设计，编程及逻辑仿真环境为Altera公司的Quartus II 9．0。

可编程逻辑器件是单片机之外另一种常用的逻辑控制单元。它是一种半定制专用集成电路（ASIC），其功能可由设计者根据自己的需要来加以定义。目前普遍使用的有CPLD 和FPGA 两种，其以工作速度快、集成度高、功耗低、适应性强等优点，受到广大电子设计人员的普遍欢迎。CPLD/FPGA 和单片机一样，都是可重复擦写的器件，不过这两者是按照不同的原理而设计的。其性能各有优劣，有些功能两者都可以实现，但有些功能用单片机或CPLD/FPGA 实现比较方便。因此，对于复杂的系统，很多时候需要两者配合使用，发挥各自的优势。本章主要以广泛使用的Altera 的EPM7128SLC84-15 芯片为例进行介绍，包括程序下载以及如何实现使用CPLD来扩展单片机I/O 接口.可编程逻辑器件CPLD/FPGA 的主要优点是内部逻辑资源丰富，输入输出接口多，非常适合于逻辑电路以及有一定时序要求的电路CPLD 大致可以分为两类，一类是由GAL 器件发展而来，其主体是与阵列和宏单元结构，称为CPLD 的基本结构；另一类是分区阵列结构的CPLD。分区阵列结构，即将整个器件分为若干个区。有的区包含若干个I/O 端、输入端及规模较小的与、或阵列和宏单元，相当于一个小规模的PLD；有的区只是完成某些特定的逻辑功能。各区之间可通过几种结构的可编程全局互连总线连接。

CPLD 的主要性能特点：

(1) 可进行多次编程、改写和擦除。

(2) 具有高密度、高速度、高可靠性和低功耗的特点。

(3) I/O 端数和内含触发器可多达数百个，集成度高。

(4) 有灵活多样的逻辑结构，可满足各种数字电路系统设计的需要。

(5) 内部时间延迟与器件结构和逻辑连接无关，各模块之间提供了固定延时的快速互连通道，可预测时间延迟，易于消除竞争冒险现象。

(6) 对于采用SRAM 工艺的CPLD，需要进行数据配置才可以完成设计要求的功能，断电后，配置数据自动消失。

(7) 有多位加密位，可杜绝编程数据的非法抄袭可编程逻辑器件是单片机之外另一种常用的逻辑控制单元。它是一种半定制专用集成电路（ASIC），其功能可由设计者根据自己的需要来加以定义。目前普遍使用的有CPLD 和FPGA 两种，其以工作速度快、集成度高、功耗低、适应性强等优点，受到广大电子设计人员的普遍欢迎。CPLD/FPGA 和单片机一样，都是可重复擦写的器件，不过这两者是按照不同的原理而设计的。其性能各有优劣，有些功能两者都可以实现，但有些功能用单片机或CPLD/FPGA 实现比较方便。因此，对于复杂的系统，很多时候需要两者配合使用，发挥各自的优势。本章主要以广泛使用的Altera EPM7128SLC84-15 芯片为例进行介绍，包括程序下载以及如何实现使用CPLD来扩展单片机I/O 接口。

3 EMP240的介绍

3.1 EPM240的概述

EPM240开发板CYCLONEII系列芯片EPM240Q240C8芯片作为核心处理器进行设计，CYCLONEII 系列芯片可以说是目前市场上性价比最高的芯片，比第一代EP1C6或者EP1C12等芯片设计上、内部的逻辑资源上都有很大的改进。

芯片使用的是 Altera公司的MAX II系列EPM240T100C5,该芯片有240个逻辑单元，等效宏单元是192个，资源比较丰富，内有8Kbit Flash的存储空间；  50MHz晶体，作为系统主时钟，另外在学习板的背面扩展了一个有源晶振接口，供用户自由扩展任意频率时钟；低电平复位按键，使用EPM240的全局复位管脚； 8色VGA接口1个，让大家掌握电脑显示器的驱动原理；RS232串口1个，通过串口调试助手轻松实现UART通信协议；PS/2 接口1个，使用CPLD进行通用键盘解码，配合串口调试助手在PC机上显示键值;70ns快速读写的SRAM芯片AT24C00，具有32KB的ROM空间，让大家熟悉SRAM的读写操作；EEPROM 芯片AT24C00，让大家熟悉使用verilog进行IIC通信；4位按键，让大家熟悉对按键操作的控制，了解用verilog采样脉冲和按键消抖控制。进行通信实验，预留16PIN总线接口。使用电源开关和电源指示灯，系统稳定可靠。

3.2 EPM240原理图和各模块功能介绍

EPM240主芯片电路 主芯片使用的是 Altera公司的MAX II系列EPM240T100C5，该芯片有240个逻辑单元，等效宏单元是192个，资源比较丰富，内有8Kbit Flash的存储空间。

                    EPM240主芯片电路

晶振电路  晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路（电感、电容、电阻等），如需更换晶振时要同时更换外围的电路。有源晶振不需要芯片的内部振荡器，可以提供高精度的频率基准，信号质量也较无源晶振要好。EPM240开发板使用50MHz的有源贴片晶振作为板子工作的时钟输入。在使用时钟的时候我们要分配对应的脚。

晶振电路

LED电路  发光二极管，通常称为LED，可以不夸张的说在几乎任何一个                 电子设备中都可以看到它的存在。大家看看自己的电脑，那些电源或硬盘的指示灯就是发光二极管。我们可以将发光二极管理解成一个微小的电灯泡，但它没有灯丝，仅仅靠半导体里面的电子移动而使它发光。EPM240开发板上8位LED灯的正极通过300欧电阻与EPM240芯片的IO相连，负极直接接地，所以如果要LED灯亮，输出IO电平为高即可点亮。

八位LED电路

8段数码管电路    8 段数码管属于LED 发光器件的一种，分为8 段：A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP 是小数点位，多位数码管还包括一个位选端。EPM240开发板上采用4位一体的7段数码管，共12 脚，其中8 脚公用是8 段显示，另4 脚是对应于4 个数码管选。其中位选低电平有效，其他高电平有效。

                       八位数码管电路

     八位拨号开关电路  拨码开关是就相当与一个开关量，拨到ON就表示接通，OFF就是断开，在数字电路中对应01，通常用于二进制数据输入。EPM240开发板使用8位拨码开关作为一个字节的输入，拨到ON时相当于输入0默认输入1。通过拨码开关可做相应的输入等实验，拨码开关和按键用途差不多，只不过拨码开关可以固定电平，而按键一松手又会到以前的状态了。

八位拨号开关电路

LCD1602字符液晶电路  EPM240 开发板的LCD 接口针对的1602 是一种液晶点阵字符模块。液晶点阵字符模块是有点阵字符液晶显示器件与驱动器、控制器等装配而成，点阵图形液晶模块的点阵像素连续排列，行和列在排布中均没有空隔。因此不仅可以显示字符，而且也可以显示连续、完整的图形。LCD1602与CPLD使用同一端口

                       LCD1602字符液晶电路

蜂鸣器电路  蜂鸣器电路很简单，需要说明的是开发板使用的是高音质的蜂鸣器（和普通的有很大区别），需要脉冲控制其发声。

                          蜂鸣器电路

键盘电路 开发板上使用的开关是两两相通的，而两个开关直接是通过上面的按钮来控制通断状态的。简单理解成开关就可以了，按下去两端就形成短路，松开手就形成开路。短路相当于输入0，开路为1。另外需要说明的是，由于按键属于机械开关，按动过程不可避免存在抖动的现象，所以用户按下按键的时间可以稍微长一点。板子上的几个按键都可以作为程序的复位脚。

                                  键盘电路

PS/2接口电路 PS/2接口电路开发板提供标准的PS/2接口，可以接键盘鼠标等

                           PS/2接口电路

RS232串口电路  RS232串口电路使用MAX232作为电平转换芯片，DB9只用其中的2、3、5 三个管脚进行通信。这三个管脚分别是接收线、发送线和地线，在一般情况下即可满足通讯的要求

RS232串口电路

扩展接口电路    为系统提供扩展接口

扩展接口电路

JTAG接口电路  JTAG 下载接口，对应下载的文件是 SOF 文件，速度很快，JTAG 将程序直接下载到 FPGA 中，但是掉电程序丢失，平时学习推荐使用 JTAG 方式，最后固化程序的时候再通过 ASP 方式将程序下载到配置芯片中即可；

         JTAG接口电路

内部存储器电路  AT24C00是美国ATMEL公司的低耗CMOS串行EEPROM为系统提供内部存储。

                  内部存储器电路

供电电路

在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法.。一般在电源部分都采用大电容与小电容并联接在电源两端的，这样对高频和低频都有一定抑制作用。

供电电路

3.3    EPM240功能的实现

EPM240是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 

EPM240的工作是在电脑上完成的。打开集成开发软件(Altera公司 Max+pluxII)→画原理图、写硬件描述语言（VHDL，Verilog）→编译→给出逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确→进行管脚输入、输出锁定（7128的个输入、输出管脚可根据需要设定）→生成代码→通过下载电缆将代码传送并存储在EPM240芯片中。7128这块芯片各管脚已引出，将数码管、抢答开关、指示灯、蜂鸣器通过导线分别接到芯片板上，通电测试，当抢答开关按下，对应位的指示灯应当亮，答对以后，裁判给加分后，看此时数码显示加分结果是否正确，如发现有问题，可重新修改原理图或硬件描述语言，完善设计。如果要对芯片进行其它设计，比如进行交通灯设计，要重新画原理图、或写硬件描述语言，重复以上工作过程，完成设计。

3.4小结

本文系统全面的总结了可编程逻辑器的功能和原理，通过实例对EPM240可编程逻辑器系统的设计与实现，达到了学习的目的。可编程逻辑器件是现代电子工业发展的重要标志，是现代电子工业发展的方向，值得我们更多的去探索和学习。

4结束语

通过对基于EPM240可编程逻辑器系统的设计与实现，达到了实验的目的，EPM240作为复杂可编程逻辑器件的一个CPLD的主要型号，有其卓越的优点。CPLD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。CPLD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CPLD来实现。CPLD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CPLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用CPLD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。CPLD的这些优点使得CPLD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。

致谢

首先感谢导师廖骏杰老师，本课题的完成离不开廖老师的悉心指导。课题研究的过程中，每个步奏都是在廖老师的严格要求与指导下完成的，在此，要对廖骏杰老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

其次，感谢参加这次课题的所有组员，在这次试验中，他们起到了关键作用，团队精神对实验的成功起到了关键作用。

再次，感谢所有关心这次课题的所有同学和以及电信学院的老师们，以及辅导员老师。

    最后，感谢所有曾关心支持我学习工作的人们！

参考文献

[1] 刘爱荣;王振成;曹瑞;卢印举; EDA技术与CPLD/FPGA开发应用简明教程.清华大学出版社.2007  

[2] 魏汉勇.模拟电子技术基础.武汉:华中科技大学出版社,2002

[3] 阮艳.电子CAD.劳动和社会保障部教材办公室,2007

[4] 杨少春.传感技术.武汉: 湖北科学技术出版社.2006

[5] 黄洁.数字电子技术基础.武汉: 华中科技大学出版社,2005

[6] 姚建勇.电路基础.武汉:湖北科学技术出版社,2004