EDA技术实验箱的设计与实现

陈曙光

（徐州建筑职业技术学院 信息电子工程学院，江苏 徐州 221008）

EDA技术实验箱的设计与实现

陈曙光

（徐州建筑职业技术学院 信息电子工程学院，江苏 徐州 221008）

现有的EDA实验设备远远不能满足学生对新器件、新EDA软件、新技术学习的需要，因而研制出Altera公司MAX II器件系列EPM240T为核心，QuartusII9.0为软件环境的EDA技术实验箱，并将其应用于数字系统设计教学中。EDA技术实验箱满足了EDA技术教学中数字系统设计的要求，同时也为数字电子技术教学提供了仿真实验环境。

EDA技术；实验箱；EPM240T；硬件电路；PCB

0 引 言

微电子技术和计算机技术的不断发展，推动了现代电子设计技术的进步。基于EDA（Electrontic Design Automation）技术的电子系统设计成为现代电子系统设计的主流方法[1]。以培养高技能应用性人才为己任的高职教育在实践教学环节上也应紧跟科技的进步，为此，2003年徐州建筑职业技术学院电子类专业购置了第一批基于CPLD的EDA技术实验箱。它是以ACEX1K100QC208-3芯片为核心器件，计算机为平台，在Altera公司的Maxplus II10.0软件环境中，通过硬件描述语言或原理图输入的方式，将生成的目标文件下载到芯片中，实现数字系统设计。随着科学技术的迅速发展，Altera公司软件工具已经升级为功能更全的QuartusII，它支持Altera公司最新的CPLD和FPGA器件。为了适应教育改革、学科发展及应用性人才培养的需要，该学院自主研制了以Altera公司MAX II器件系列EPM240T100C5N为核心器件，PS/2接口电路、矩阵键盘、RS232串口通信及LED动静态显示为外围电路的EDA技术实验箱。EDA技术实验箱的硬件电路设计采用美国Mentor Graphics公司PADS完成，编程及逻辑仿真环境为Altera公司的QuartusII9.0。

1 EDA技术实验箱的硬件电路设计

EDA技术实验箱电路部分包括主芯片EPM240T（CPLD）、电源电路、输入电路、输出电路及时钟电路，如图1所示。

1.1 主芯片EPM240T的结构及特点

2006年，Altera公司推出的MAX II器件系列是一款革命性的CPLD产品。新型MAX II CPLD是基于新的显示查找表(LUT)体系，非易失性Flash存储模块和JTAG控制电路实现了成本优化的架构；与上一代产品相比成本降低了一半，动态功耗只有原来的1/10；MAX II器件支持高达300MHz的内部时钟，可为用户提供更高的系统级性能；MAX II CPLD内的Flash存储器用户可访问且可编程，也可用于用户定义的数据；MAX II器件支持实时在系统可编程，允许用户编程正在工作的器件；MAX II架构支持MultiVolt，允许器件在1.8V、2.5V或3.3V电压环境下工作；MAX II CPLD具有一种被称为JTAG翻译器的功能，这种功能允许通过MAX II器件执行定制的JTAG指令，配置单板上不兼容JTAG协议的器件，从而简化了单板管理；MAX II CPLD的I/O能力加强了其易用性和系统集成能力。EPM240T是MAX II器件系列中的一款，它包含逻辑单元（LEs）数为240，典型等效宏单元为192，最大用户I/O管脚80个，用户Flash存储器8 192字节，速度等级3ns、4ns、5ns，最快tpd1（角至角性能）4.7ns，可用封装为100-PinTQFP等[2]。

图1 EDA技术实验箱电路

1.2 电源电路

EDA技术实验箱采用输出电压+5V，输出电流不小于500mA的直流稳压电源供电，发光二极管作为电源指示灯。如果在不使用全部模块的情况下，也可以通过USB供电。电路系统3.3V由LM1117低压差调节器提供，适当选取电阻R1和R2，可实现1.25V～13.8V输出电压范围，电容C1、C2、C3、C4为旁路电容，输入电容C5对输出电压稳定具有重要的作用。EDA技术实验箱系统电源电路如图2所示。

1.3 输入电路

图2 EDA技术实验箱系统电源电路

输入电路包括JTAG接口电路、矩阵键盘电路、20个独立按键电路和PS/2接口电路。在10针JTAG接口电路中将信号TCK（测试时钟）、TDO（测试数据输出）、TMS（测试模式选择）和TDI（测试数据输入），分别配置给主芯片CPLD的P24、P25、P22和P23管脚，这样方便与Altera公司标准的USB-Blaster下载线连接。如果程序对4×4矩阵键盘扫描，其内容则通过数码管显示。数据输入由20个独立按键完成，实现数字系统中的0、1功能，以满足中规模数字电路设计要求。PS/2接口电路可以与标准的PS/2接口键盘、鼠标实现通信，并将当前键盘的键值在数码管上显示。

1.4 输出电路

（1）LED点阵显示电路。LED点阵采用4个8×8点阵拼在一起组成16×16点阵，可以显示一个完整的汉字。同时采用4片74HC595级联分别做列（行）扫描。LED点阵列（行）扫描电路如图3所示。

图3 LED点阵列（行）扫描电路

（2）LED动静态显示电路。根据数字系统设计需要，EDA技术实验箱由74HC138提供位选端驱动7段数码管组成静态和动态显示电路，以满足数字钟、电子琴等电路输出显示需要，这样可避免通过CPLD电路时的电流太大，同时省下5个I/O口。另外，电路中还配有红、黄、绿三色发光二极管，满足模拟交通灯控制电路和流水灯电路的显示需要。

（3）有源蜂鸣器。有些数字电路设计需要用到音效或音乐，内设有蜂鸣器、驱动电路。为了降低CPLD功耗，采用一个NPN三极管驱动蜂鸣器，CPLD提供一定频率的脉冲信号，经三极管放大来驱动有源蜂鸣器。

1.5 USB TO RS232串口通信电路

EDA技术实验箱与PC机及笔记本电脑的双机通信，是利用USB转RS232协议方式实现，同时USB口还可以为系统提供+5V直流电压。其串口通信电路由CH341及其外围电路实现，如图4所示。

图4 USB TO RS232串口通信电路

1.6 时钟电路

开发板上提供50MHZ有源晶振，可以为整个系统电路提供时钟信号。

2 EDA技术实验箱的PCB设计

EDA技术实验箱的PCB设计属于数字电路设计范畴，其资源分布如图5所示。抗干扰是PCB设计过程中需要特别注意的问题。在PCB设计过程中采取的抗干扰措施包括：a.将50MHZ的有源晶振尽可能靠近CLK0 (CPLD的12脚)，晶振下面不走线，并且做铺铜隔离。b.主芯片做了覆铜接地处理，过孔数目只有2个，安装时尽量做到元件的管脚尽量短。c.利用地网代替大面积覆铜，I/O口尽量靠近电路板边沿，走线采用45°折角等。d.在电源电路中，电源线规格是2mm，地线加宽为3mm，同时将开发板上的3.3V走线与地之间保持一定的距离，反馈线远离电感，其他信号线尽可能短。e.退耦电容尽量靠近各个芯片的周围，引脚尽量短，已达到滤除电源中的高频杂波，减少IC座的使用，避免寄生电容引入[3-4]。

图5 EDA技术实验箱资源分布

3 EDA技术实验箱的功能验证

EDA技术实验箱设计安装完成后，为了验证其功能是否达到要求，以模拟交通灯实验为例，在QuartusII9.0中进行程序的编写，经过编译、仿真后下载到目标芯片EPM240T中进行功能实现。该实验要求首先南北走向通行，即南北绿灯亮、东西红灯亮；然后转到南北黄灯亮，东西红灯亮以及南北红灯亮，东西黄灯亮的延时状态，最后进入东西走向通行，即东西绿灯亮，南北红灯亮。模拟交通灯仿真波形如图6所示。其中，row(0…1)代表东西南北方向，r、g、y分别代表红、绿、黄三色信号灯。通过对仿真波形的分析，确定其波形实现了功能要求，然后再将程序下载到目标芯片中。程序下载前，首先将CPLD器件引脚P14、P15、P16分别作为红、黄、绿三色的显示控制，P5、P6、P7、P8分别作为北、东、西、南的控制管脚，待程序下载到目标芯片后，通过对三色发光二极管的点亮顺序分析，确定模拟交通灯实验正确地实现了功能要求，表明该EDA技术实验箱基本达到了设计的要求[5]。

4 结束语

本文以Altera公司MAX II器件系列EPM240T为核心器件，进行了EDA技术实验箱的硬件电路设计和PCB设计，并对EDA技术实验箱进行了功能验证。实验表明，EDA技术实验箱不仅能满足EDA技术教学中数字系统设计的要求，同时也为数字电子技术教学提供了仿真实验环境。EDA技术实验箱的设计制作不但满足了学生对新器件、新技术和新设计方法的学习需要，而且也提高了教师对新器件运用的能力，这对实验设备的更新研制及学校的可持续发展具有重要的意义。

图6 模拟交通灯仿真波形

[1]陈曙光.将PADS Power引入EDA技术教学中[J].中国现代教育装备，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]张俊涛，陈晓莉.EDA实验开发板的研制[J].现代电子技术，2002(2):23-26.

[4]丁嘉.基于CPLD的开发板设计与实现[J].宁波大红鹰职业技术学院学报，2006(2):31-36.

[5]舒强，黄志刚，游荣义.基于CPLD的EDA实验与开发板设计[J].中国现代教育装备，2008(1):78-80.

[责任编辑：谢树林]

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

徐州建筑职业技术学院课程建设项目（90250886500125）

陈曙光（1970—），女，吉林省吉林人，徐州建筑职业技术学院信息电子工程学院讲师，硕士.