Altera MAX V CPLD的工程設計應用及系統開發

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(北京理工大學 機車學院，北京 100081)

AlteraMAXVCPLD的工程設計應用及系統開發

張志明，崔濤

(北京理工大學 機車學院，北京 100081)

本文闡述了Altera MAX V最小系統從硬件原理圖到PCB設計、從軟件QuartusII編寫VHDL到Modelsim-Altera的軟件仿真，以及最終的程序下載到開發板上的整個工程設計調試過程，為后續的Altera MAX V工程設計應用提供技術參考和支持。

Altera MAX V；VHDL；仿真；工程調試

引 言

Altera MAX CPLD廣泛應用于電子電器行業，幾乎可實現所有數字和模擬控制功能，而且容易集成到系統中。采用CPLD器件，可以解決電路板級問題，使設計人員主要精力集中在更復雜的設計難題上。近年Altera的MAX II系列在CPLD市場上占據領導地位，其采用了TSMC成本優化的1.8 V、0.18 μm、6層金屬Flash工藝，廣泛應用在大批量消費類、通信、工業和計算機行業。目前MAX II系列已停產，Altera推出了MAX V系列，靜態功耗低至45 μw，密度在40～2 210個邏輯單元之間，引腳布局中提供更多的I/O和邏輯，提供各種低成本、無鹵素封裝(EQFP、TQFP、MBGA)，滿足環境標準要求，對于Altera MAX V進行工程應用的開發設計、調試非常重要。

1 工程設計應用開發整體規劃

從Altera官網MAX V型號中選擇價格、結構、性能等處于中等的5M570ZT100I5芯片，軟件采用Quartus II進行編寫，并用Modelsim-Altera進行仿真，硬件電路采用Protel進行設計。Quartus II的軟件設計采用VHDL語言編程，因其語言構架類似于C語言，易于理解，在Quartus II中也有全面的VHDL語言模板可以參照，易學易用。

在整個工程設計應用中，先進行硬件電路的設計，在硬件電路制造階段進行VHDL語言的測例編程和模擬仿真，最終下載到硬件電路中進行驗證調試。

2 硬件電路設計

2.1 原理圖設計

原理圖設計分為供電電路設計、時鐘電路設計、程序下載電路設計、普通I/O端口的輸入/輸出設計。

(1)供電電路設計

根據官網資料介紹，MAX V系列的I/O電壓為3.3 V，Core Voltage為1.8 V，因此需選用AMS1117的5 V轉3.3 V、5 V轉1.8 V兩種穩壓器，選用SOT-223封裝類型，在VCCINT引腳(pin_13)上并聯10 μF電容。

(2)時鐘電路設計

MAX V系列的I/O口電壓為3.3 V，因此要選用3.3 V的有源晶振，在clk引腳(pin_12)和晶振out引腳之間用33 Ω電阻連接。

(3)程序下載電路設計

MAX V系列程序下載電路與MAX II系列的原理相同，選用標準BDM插頭，TMS、TDI引腳采用3.3 V供電，2只引腳與3.3 V電源之間串聯10 kΩ電阻；TCK引腳與GND之間串聯10 kΩ電阻。

(4)普通I/O端口的輸入輸出設計

普通I/O端口既可以作為信號輸入接口，也可以作為信號輸出接口。I/O端口的輸入/輸出電壓為3.3 V，無其他電路設計的特殊要求。本次將其直接引出，方便測例的調試驗證。

2.2 PCB設計

創建PCB項目文件，首先“選擇追加已有文件到項目中”，選擇上面所建立的原理圖文件，根據已有的原理圖文件生成PCB圖(如圖1所示)，重點對時鐘信號線、電源線、地線、TCK、TDO、TDI、TMS等進行手工布線和線寬設置，其他線可在元器件擺放完后進行自動布線操作。

圖1 PCB圖

3 軟件設計

3.1 VHDL語言編程設計

MAX V采用Quartus II 12系列版本進行VHDL語言設計，在設計過程中要確保工程名稱與文件名稱命名一致，創建工程后，新建VHDL 文件，寫入測試語句：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity qudong570 is

port

(clk : instd_logic; p : out std_logic;

q : outstd_logic);

end entity;

architecture ad of qudong570 is

signal num:natural:=0; signal cut:natural:=0;

signal i:natural:=0; signal vet:std_logic:='1';

signal vvv:std_logic:='1';

begin

process (clk)

begin

if (clk'event and clk='1') then

num<=num+1;cut<=cut+1;

case num is

when 640=> vvv<='0'; when 960=> vvv<='1';

when 2000=> vet<='0';vvv<='0';cut<=0;i<=1;

when 2900=> cut<=0; when 3800=> cut<=0;

when 4700=> cut<=0; when 9200=> cut<=0;

when 16400=> num<=0;vet<='1';vvv<='1';cut<=0;i<=0;

when others=>NULL;end case;

if (cut=1008 and i=0)then

vvv<=vvv xor '1';cut<=960;/*脈寬48 μs*/

end if; end if;

end process; q<=vet; p<=vvv;end ad;

3.2 對VHDL語言程序的仿真

采用Modelsim-Altera對所編程序進行仿真，在仿真之前先用Quartus自動生成測試文件:[processing]-[start]-[start Test Bench Template Writer]。打開生成的測試文件，將時鐘設定為500 ns，保存后即可在Quartus中點擊[start compilation]進行仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 PCB仿真波形

4 工程調試

圖3 采集真實波形

將編寫好的程序下載到開發板上，下載程序過程中，先將下載器與開發板BDM頭插接好，再與PC機的USB相連，最后將開發板與5 V直流電源接通，下載程序成功后，將開發板重新上電即可運行程序。將開發板與示波器連接，測試開發板輸出信號，信號如圖3所示，與Modelsim Altera仿真結果一致，開發板調試成功。

EngineeringDesignandSystemDevelopmentofAlteraMAXVCPLD

ZhangZhiming,CuiTao

(School of Locomotive,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

In the paper,Altera MAX V minimum system is introduced,from the principle diagram of hardware to PCB design, and from a software quartus II writing VHDL to Modelsim-Altera software simulation,and the program downloaded to the development board,that provides technical reference and supports for Altera MAX V engineering design applications.

Altera MAX V;VHDL;simulation;debugging

TP338

A