文件综述-基于fpga的数字钟控制器设计

文献综述基于FPGA的数字钟控制器设计专业电子信息科学与技术1前言随着电子技术的不断发展，现在电子产品几乎渗透了社会的各个领域，时间对于人来说是宝贵的，钟表的数字化给人们的生产生活带来了极大的便利，人们对于时钟的要求也在不断提高。多功能、低功耗、高精度、体积小，是现代时钟发展的趋势，在这种趋势下，研究数字时钟以及扩大其应用有着非常重要的现实意义。当今电子产品正向功能多元化,体积最小化,功耗最低化的方向发展，与传统电子产品在设计上的明显区别就是使用大规模可编程器件，而EDA就是为了为了适应现代电子技术的要求形成的一门新技术。美国ALTERA公司的可编程逻辑器件采用全新的结构和先进的技术，加上QUARTUS开发环境，使得其更具有高性能，开发周期短等特点，十分方便进行电子产品的开发和设计。数字时钟可以有单片机及EDA两种不同方案，本次设计主要研究基于FPGA的数字时钟控制器，要求具有（1）时、分、秒计数显示功能，以24小时循环计时；（2）设计千分频产生1HZ的时钟源；（3）具有清零、调节小时、分钟、整点报时和闹铃功能。2FPGA概述FPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY现场可编程逻辑门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级时，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本。21FPGA的特点1高性能是实时性，由于FPGA芯片内部是通过上百万个逻辑单元完成硬件实现，具有并行处理的能力，运算速度比平常的单片机和DSP快很多。2高集成性FPGA可根据用户的需求在内部嵌入硬/软IP核，以实现不同的而要求而且采用SOPC技术也可节省目标硬件的面积3高可靠性和地成本目前的FPGA芯片在出厂之前都做过100的检测，不需要设计人员承担投片生产的费用4高灵活性和低功耗FPGA是现场可编程，用户可以反复的编程，擦写，使用，或者在外围电路保持不变的情况下，采用不同的设计而实现不同的功能，这样给产品的升级和维护带来极大的方便。22FPGA的设计流程FPGA是可编程芯片，因此FPGA的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分。硬件包括FPGA芯片电路、存储器、输入输出接口电路以及其他设备，软件即是相应的VHDL程序和VERILOGHDL程序。FPGA采用自顶而下的设计方法，开始从系统级设计，然后逐步分化到二级单元，三级单元知道可以直接操作基本逻辑单元或IP核为止，一般情况下设计流程有如下步骤221功能定义/器件选型在FPGA设计项目开始之前，必须有系统功能的定义和模块的划分，另外就是要根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作速度和器件本身的资源、成本、以及连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的设计方案和合适的器件类型。222设计输入设计输入有原理图输入和硬件描述语言输入，原理图输入比较直观但不易仿真，但效率很低，且不易维护，不利于模块构造和重用。更主要的缺点是可移植性差，当芯片升级后，所有的原理图都需要作一定的改动。硬件语言包括VHDL和VERILOGHDL以及SYSTEMC等，硬件描述语言输入其共同的突出特点语言与芯片工艺无关，利于自顶向下设计，便于模块的划分与移植，可移植性好，具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率很高。223功能仿真功能仿真也称为前仿真是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时没有延迟信息，仅是对功能的初步检测。224综合优化所谓综合就是将较高级抽象层次的描述转化成较低层次的描述。综合优化根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，使层次设计平面化，供FPGA布局布线软件进行实现。就目前的层次来看，综合优化SYNTHESIS是指将设计输入编译成由与门、或门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表，而并非真实的门级电路。225综合后仿真综合后仿真检查综合结果是否和原设计一致。在仿真时，把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。但这一步骤不能估计线延时，因此和布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。226实现与布局布线布局布线可理解为利用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能链接的布线通道进行连线，并产生相应文件如配置文件与相关报告，实现是将综合生成的逻辑网表配置到具体的FPGA芯片上。227时序仿真时序仿真，也称为后仿真，是指将布局布线的延时信息反标注到设计网表中来检测有无时序违规即不满足时序约束条件或器件固有的时序规则，如建立时间、保持时间等现象。时序仿真包含的延迟信息最全，也最精确，能较好地反映芯片的实际工作情况。228板级仿真与验证板级仿真主要应用于高速电路设计中，对高速系统的信号完整性、电磁干扰等特征进行分析，一般都以第三方工具仿真和验证。229芯片编程与调试设计的最后一步就是芯片编程与调试。芯片编程是指产生使用的数据文件位数据流文件，BITSTREAMGENERATION，然后将编程数据下载到FPGA芯片中。逻辑分析仪LOGICANALYZER，LA是FPGA设计的主要调试工具，但需要引出大量的测试管脚，且LA价格昂贵。目前，主流的FPGA芯片生产商都提供了内嵌的在线逻辑分析仪。3智能时钟系统设计按照功能可将与智能时钟相关的文献分为以下几类31仅有传统功能的时钟系统、包本刚，朱湘萍2008/11/15写的基于EDA技术的多功能数字时钟的ASIC设计。此文献采用EDA技术设计一个在FPGA芯片上实现的数字时钟，数字时钟的输入设备是一个4X4的编码键盘，输出设备是用于显示的15个七段数码管、若干LED的指示灯及蜂鸣器，内部功能模块分为三部分综合计时电路、显示控制电路、调整控制电路。其中综合计时电路用于完成各种计时功能，显示控制电路用于完成计时结果的显示，调整控制电路用于调整计时系统的有关参数。、宋克柱在2008/09/20上发表的题为基于FPGA的数字时钟设计的论文。该文介绍一种基于FPGA的数字时钟设计方法DCM（数字时钟管理器）。DCM使用完全数字反馈系统确保多个时钟同步，使用完全数字延迟线技术可以精确控制时钟的频率和相位。用户可以编程控制时钟任意倍频和分频及任意相位移动，使用方便可靠。32具有红外控制功能的智能时钟系统、朱斌，谭勇，奂光晓于2008/01在机电产品开发与创新上发表的篇名为基于红外遥控的智能时钟设计与实现的文章。采用集成电路芯片DS1302和单片机AT89C2051对红外遥控智能时钟进行实现，完成了系统各模块接12电路的设计并对系统的各功能模块进行编程实现。基于红外遥控的智能时钟除具有时间显示、定时、掉电保护等功能外，还具有红外遥控功能。、徐娜于2010年第10期农业网络信息发表的基于红外遥控技术的数字时钟设计一文。该设计的控制核心是AT89C51芯片配以5V8段8位共阳极LED数码管、5V压电式蜂鸣器和12MHZ的晶体振荡器所组成的红外遥控数字时钟。33带有时钟芯片的高精度时钟、王学忠在科技信息期刊2012/2/25/上发表的题名为用实时时钟芯片DS12C887设计高精度时钟的文章，该设计主要以单片机为核心，采用专门的时钟芯片DS12C887和LED1602液晶芯片，具有电路设计简单，结构合理等优点，更重要的是该时钟芯片有断电时间不停，再次上电时间任然能准确显示在液晶上的优点、陶忠耀在科技传播2013/07/23期上发表的题为基于AT89C51单片机的数字时钟设计的论文。本文介绍一款由AT89C51单片机，DS1302时钟芯片，LCD1602字符液晶显示器构成的数字时钟的设计，通过单片机对DS1302的读写操作。4数字电子时钟的发展趋势钟表就像电子系统中跳动的心脏。随着通信和网络、企业服务器和存储设备、消费电子、医疗电子、汽车设备、办公及家庭解决方案的兴起，系统计时便成为一个重要的话题，人们的日常生活离开离不开时间，时钟用于不会被淘汰，但随着科技的进步，人们对时钟的要求也在不断提高，数字电子时钟将会向科技化、人性化、低耗小尺寸、高度精确方向发展。5研究的目的和意义人们很早以前便有了时间的概念，并发明了一系列技术装置，三千多年前，我国祖先最早发明了用土和石片刻制成的“土圭”和“日规”两种计时器，成为世界上最早发明计时器的国家之一，可见时钟的重要性，现在更是一个注重时间的社会，所以研究数字时钟能够给人们带来极大的便利，对时钟的数字化研究有利于人们更准确的了解时间，更有条不紊的完成工作，智能化数字时钟的研究对丰富人们的生活具有重要意义。参考文献1毕满清，电子技术实验与课程设计，机械工业出版社，20052吕思忠，数子电路实验与课程设计，哈尔滨工业大学出版社，20013谢自美，电子线路设计、实验、测试，华中理工大学出版社，2004康华光，电子技术基础，高等教育出版社，20025宋春荣，通用集成电路速查手册，山东科学技术出版社，1995。6阎石，数字电子技术基础第四版M，北京高等教育出版社，1998。7赵志杰，集成电路应用识图方法，机械工业出版社，2003，3540。8张庆双，电子元器件的选用与检测，机械工业出版社，20039蒋立平，姜萍，谭雪琴，花汉兵，数字逻辑电路与系统设计，电子工业出版社，200910刘勇，数字电路，电子工业出版社，200411陈正振，电子电路设计与制作，广西交通职业技术学院信息工程系，200712杨子文，单片机原理及应用，西安电子科技