EDA技術實驗箱的設計與實現

陳曙光

（徐州建筑職業技術學院 信息電子工程學院，江蘇 徐州 221008）

EDA技術實驗箱的設計與實現

陳曙光

（徐州建筑職業技術學院 信息電子工程學院，江蘇 徐州 221008）

現有的EDA實驗設備遠遠不能滿足學生對新器件、新EDA軟件、新技術學習的需要，因而研制出Altera公司MAX II器件系列EPM240T為核心，QuartusII9.0為軟件環境的EDA技術實驗箱，并將其應用于數字系統設計教學中。EDA技術實驗箱滿足了EDA技術教學中數字系統設計的要求，同時也為數字電子技術教學提供了仿真實驗環境。

EDA技術；實驗箱；EPM240T；硬件電路；PCB

0 引 言

微電子技術和計算機技術的不斷發展，推動了現代電子設計技術的進步。基于EDA（Electrontic Design Automation）技術的電子系統設計成為現代電子系統設計的主流方法[1]。以培養高技能應用性人才為己任的高職教育在實踐教學環節上也應緊跟科技的進步，為此，2003年徐州建筑職業技術學院電子類專業購置了第一批基于CPLD的EDA技術實驗箱。它是以ACEX1K100QC208-3芯片為核心器件，計算機為平臺，在Altera公司的Maxplus II10.0軟件環境中，通過硬件描述語言或原理圖輸入的方式，將生成的目標文件下載到芯片中，實現數字系統設計。隨著科學技術的迅速發展，Altera公司軟件工具已經升級為功能更全的QuartusII，它支持Altera公司最新的CPLD和FPGA器件。為了適應教育改革、學科發展及應用性人才培養的需要，該學院自主研制了以Altera公司MAX II器件系列EPM240T100C5N為核心器件，PS/2接口電路、矩陣鍵盤、RS232串口通信及LED動靜態顯示為外圍電路的EDA技術實驗箱。EDA技術實驗箱的硬件電路設計采用美國Mentor Graphics公司PADS完成，編程及邏輯仿真環境為Altera公司的QuartusII9.0。

1 EDA技術實驗箱的硬件電路設計

EDA技術實驗箱電路部分包括主芯片EPM240T（CPLD）、電源電路、輸入電路、輸出電路及時鐘電路，如圖1所示。

1.1 主芯片EPM240T的結構及特點

2006年，Altera公司推出的MAX II器件系列是一款革命性的CPLD產品。新型MAX II CPLD是基于新的顯示查找表(LUT)體系，非易失性Flash存儲模塊和JTAG控制電路實現了成本優化的架構；與上一代產品相比成本降低了一半，動態功耗只有原來的1/10；MAX II器件支持高達300MHz的內部時鐘，可為用戶提供更高的系統級性能；MAX II CPLD內的Flash存儲器用戶可訪問且可編程，也可用于用戶定義的數據；MAX II器件支持實時在系統可編程，允許用戶編程正在工作的器件；MAX II架構支持MultiVolt，允許器件在1.8V、2.5V或3.3V電壓環境下工作；MAX II CPLD具有一種被稱為JTAG翻譯器的功能，這種功能允許通過MAX II器件執行定制的JTAG指令，配置單板上不兼容JTAG協議的器件，從而簡化了單板管理；MAX II CPLD的I/O能力加強了其易用性和系統集成能力。EPM240T是MAX II器件系列中的一款，它包含邏輯單元（LEs）數為240，典型等效宏單元為192，最大用戶I/O管腳80個，用戶Flash存儲器8 192字節，速度等級3ns、4ns、5ns，最快tpd1（角至角性能）4.7ns，可用封裝為100-PinTQFP等[2]。

圖1 EDA技術實驗箱電路

1.2 電源電路

EDA技術實驗箱采用輸出電壓+5V，輸出電流不小于500mA的直流穩壓電源供電，發光二極管作為電源指示燈。如果在不使用全部模塊的情況下，也可以通過USB供電。電路系統3.3V由LM1117低壓差調節器提供，適當選取電阻R1和R2，可實現1.25V～13.8V輸出電壓范圍，電容C1、C2、C3、C4為旁路電容，輸入電容C5對輸出電壓穩定具有重要的作用。EDA技術實驗箱系統電源電路如圖2所示。

1.3 輸入電路

圖2 EDA技術實驗箱系統電源電路

輸入電路包括JTAG接口電路、矩陣鍵盤電路、20個獨立按鍵電路和PS/2接口電路。在10針JTAG接口電路中將信號TCK（測試時鐘）、TDO（測試數據輸出）、TMS（測試模式選擇）和TDI（測試數據輸入），分別配置給主芯片CPLD的P24、P25、P22和P23管腳，這樣方便與Altera公司標準的USB-Blaster下載線連接。如果程序對4×4矩陣鍵盤掃描，其內容則通過數碼管顯示。數據輸入由20個獨立按鍵完成，實現數字系統中的0、1功能，以滿足中規模數字電路設計要求。PS/2接口電路可以與標準的PS/2接口鍵盤、鼠標實現通信，并將當前鍵盤的鍵值在數碼管上顯示。

1.4 輸出電路

（1）LED點陣顯示電路。LED點陣采用4個8×8點陣拼在一起組成16×16點陣，可以顯示一個完整的漢字。同時采用4片74HC595級聯分別做列（行）掃描。LED點陣列（行）掃描電路如圖3所示。

圖3 LED點陣列（行）掃描電路

（2）LED動靜態顯示電路。根據數字系統設計需要，EDA技術實驗箱由74HC138提供位選端驅動7段數碼管組成靜態和動態顯示電路，以滿足數字鐘、電子琴等電路輸出顯示需要，這樣可避免通過CPLD電路時的電流太大，同時省下5個I/O口。另外，電路中還配有紅、黃、綠三色發光二極管，滿足模擬交通燈控制電路和流水燈電路的顯示需要。

（3）有源蜂鳴器。有些數字電路設計需要用到音效或音樂，內設有蜂鳴器、驅動電路。為了降低CPLD功耗，采用一個NPN三極管驅動蜂鳴器，CPLD提供一定頻率的脈沖信號，經三極管放大來驅動有源蜂鳴器。

1.5 USB TO RS232串口通信電路

EDA技術實驗箱與PC機及筆記本電腦的雙機通信，是利用USB轉RS232協議方式實現，同時USB口還可以為系統提供+5V直流電壓。其串口通信電路由CH341及其外圍電路實現，如圖4所示。

圖4 USB TO RS232串口通信電路

1.6 時鐘電路

開發板上提供50MHZ有源晶振，可以為整個系統電路提供時鐘信號。

2 EDA技術實驗箱的PCB設計

EDA技術實驗箱的PCB設計屬于數字電路設計范疇，其資源分布如圖5所示。抗干擾是PCB設計過程中需要特別注意的問題。在PCB設計過程中采取的抗干擾措施包括：a.將50MHZ的有源晶振盡可能靠近CLK0 (CPLD的12腳)，晶振下面不走線，并且做鋪銅隔離。b.主芯片做了覆銅接地處理，過孔數目只有2個，安裝時盡量做到元件的管腳盡量短。c.利用地網代替大面積覆銅，I/O口盡量靠近電路板邊沿，走線采用45°折角等。d.在電源電路中，電源線規格是2mm，地線加寬為3mm，同時將開發板上的3.3V走線與地之間保持一定的距離，反饋線遠離電感，其他信號線盡可能短。e.退耦電容盡量靠近各個芯片的周圍，引腳盡量短，已達到濾除電源中的高頻雜波，減少IC座的使用，避免寄生電容引入[3-4]。

圖5 EDA技術實驗箱資源分布

3 EDA技術實驗箱的功能驗證

EDA技術實驗箱設計安裝完成后，為了驗證其功能是否達到要求，以模擬交通燈實驗為例，在QuartusII9.0中進行程序的編寫，經過編譯、仿真后下載到目標芯片EPM240T中進行功能實現。該實驗要求首先南北走向通行，即南北綠燈亮、東西紅燈亮；然后轉到南北黃燈亮，東西紅燈亮以及南北紅燈亮，東西黃燈亮的延時狀態，最后進入東西走向通行，即東西綠燈亮，南北紅燈亮。模擬交通燈仿真波形如圖6所示。其中，row(0…1)代表東西南北方向，r、g、y分別代表紅、綠、黃三色信號燈。通過對仿真波形的分析，確定其波形實現了功能要求，然后再將程序下載到目標芯片中。程序下載前，首先將CPLD器件引腳P14、P15、P16分別作為紅、黃、綠三色的顯示控制，P5、P6、P7、P8分別作為北、東、西、南的控制管腳，待程序下載到目標芯片后，通過對三色發光二極管的點亮順序分析，確定模擬交通燈實驗正確地實現了功能要求，表明該EDA技術實驗箱基本達到了設計的要求[5]。

4 結束語

本文以Altera公司MAX II器件系列EPM240T為核心器件，進行了EDA技術實驗箱的硬件電路設計和PCB設計，并對EDA技術實驗箱進行了功能驗證。實驗表明，EDA技術實驗箱不僅能滿足EDA技術教學中數字系統設計的要求，同時也為數字電子技術教學提供了仿真實驗環境。EDA技術實驗箱的設計制作不但滿足了學生對新器件、新技術和新設計方法的學習需要，而且也提高了教師對新器件運用的能力，這對實驗設備的更新研制及學校的可持續發展具有重要的意義。

圖6 模擬交通燈仿真波形

[1]陳曙光.將PADS Power引入EDA技術教學中[J].中國現代教育裝備，2009(13):57-59.

[2]MAX II CPLD系列[EB/OL]．(2006-10-12)[2010-04-24].http://www.altera.com.cn/products/devices/cpld/max2/mx2-index.jsp.

[3]張俊濤，陳曉莉.EDA實驗開發板的研制[J].現代電子技術，2002(2):23-26.

[4]丁嘉.基于CPLD的開發板設計與實現[J].寧波大紅鷹職業技術學院學報，2006(2):31-36.

[5]舒強，黃志剛，游榮義.基于CPLD的EDA實驗與開發板設計[J].中國現代教育裝備，2008(1):78-80.

[責任編輯：謝樹林]

Design and Practice of EDA Technological Experimental Box

CHEN Shuguang
(School of Information Electronic Engineering, Xuzhou Institute of Architectural Technology, Xuzhou, 221008, China)

The present EDA laboratory equipment is far from meeting the students' need for new devices, new EDA software and learning new technology. Therefore, EDA technology experimental box with Altera MAX II device of family EPM240T as the core and Quartus II 9.0 as the software environment is produced and applied to the teaching of digital system design. EDA technology experimental box meets the demand of digital system design in EDA technological teaching and provides the simulated experimental environment for the teaching of digital electronic technology.

EDA technology; Experimental box; EPM240T; Hardware circuit; PCB

TN702

A

1671-4326(2010)03-0053-04

2010-04-29

徐州建筑職業技術學院課程建設項目（90250886500125）

陳曙光（1970—），女，吉林省吉林人，徐州建筑職業技術學院信息電子工程學院講師，碩士.