[摘要]隨著數(shù)字電子技術(shù)和集成電子電路技術(shù)的飛速發(fā)展，掌握EDA技術(shù)、學(xué)會用VHDL語言設(shè)計設(shè)計電子電路是每個硬件設(shè)計工程師必須掌握的一項基本技能。用VHDL語言、MAX+plusII開發(fā)平臺設(shè)計一個自動鈴聲系統(tǒng)，底層采用VHDL語言、頂層采用原理圖輸入的方法，在開發(fā)平臺上進(jìn)行編譯、功能仿真、時序仿真，最后下載到FPGA開發(fā)板上進(jìn)行實際調(diào)試。

[關(guān)鍵詞]EDA VHDL FPGA 鈴聲系統(tǒng)

中圖分類號：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2009）0110036-02

一、引言

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，在涉及通信、國防、航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)自動化、計算機應(yīng)用、儀器儀表等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計工作中，EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化）技術(shù)的含量正以驚人的速度上升，電子類高新技術(shù)項目的開發(fā)也更加依賴于EDA技術(shù)的應(yīng)用。因此，本文使用VHDL（Very high speed integrated circuit Hardware Description Language，甚高速集成電路硬件描述語言）進(jìn)行程序編制，設(shè)計實現(xiàn)自動鈴聲系統(tǒng)，采用EDA設(shè)計軟件MAX＋plus II進(jìn)行編譯、仿真、綜合，然后下載到FPGA上進(jìn)行實際驗證。

二、功能分析

系統(tǒng)應(yīng)該具有基本計時、能設(shè)置當(dāng)前時間、能調(diào)整起床鈴時間、熄燈鈴時間、能調(diào)整打鈴時間長短和間歇時間長短等五項基本功能。為了能夠同時查看當(dāng)前年月日星期以及能夠采用24小時制，在設(shè)計中加入年、月日的調(diào)整及與時間同步走時、切換12/24時制等三個功能。星期是與某一年月日相對應(yīng)的固定參數(shù)，在年月日調(diào)整時設(shè)為不可見。于是八個功能組成八種狀態(tài)，那么采用狀態(tài)機進(jìn)行各個狀態(tài)的切換是最方便的。

本系統(tǒng)具有八個狀態(tài)共八個參數(shù)，需要根據(jù)各個狀態(tài)出現(xiàn)的順序和打鈴信號燈的亮、滅情況進(jìn)行相應(yīng)顯示，那么可以設(shè)計“顯示控制及打鈴控制模塊”來統(tǒng)一進(jìn)行操作。

另外如果實驗室開發(fā)板上沒有按鍵消抖電路，那么有必要再加上軟件消抖程序。于是本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

三、硬件設(shè)計

本設(shè)計采用的開發(fā)板是SpartanII開發(fā)系統(tǒng)。其原理圖比較簡單，如圖2所示。

（一）狀態(tài)機的設(shè)計原理

狀態(tài)機的具體實現(xiàn)如前所述，8個功能模式對應(yīng)8種狀態(tài)，因此設(shè)定的狀態(tài)如表1所示。

那么這8種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移圖容易得到如圖3所示。圖中默認(rèn)處于正常計時狀態(tài)timing，當(dāng)按鍵changemode有效按一下就從timing開始轉(zhuǎn)到箭頭所指的狀態(tài)adj_year。以此類推。狀態(tài)機通過讀入按鍵值進(jìn)行狀態(tài)切換并執(zhí)行某些特定操作，所以這里應(yīng)用Mealy型狀態(tài)機。在這里將使用三個按鍵來執(zhí)行相關(guān)切換。

（二）主要模塊設(shè)計

1．計數(shù)器的設(shè)計

這里涉及3個參量即年、月日、時間的變化，因此可設(shè)置3個調(diào)整使能信號en1（調(diào)“年”使能）、en2（調(diào)“月日”使能）和en3（調(diào)“時間”使能），分別對應(yīng)狀態(tài)機的輸出信號mode的mode[0]、mode[2]和mode[4]。

2．響鈴時間設(shè)定

利用接口電路實現(xiàn)時間設(shè)定并進(jìn)行仿真。

3．顯示控制及打鈴控制模塊

該模塊集中了前面幾個模塊的輸出信號根據(jù)狀態(tài)機所給出的狀態(tài)分別進(jìn)行顯示。

4．按鍵消抖及同步化輔助模塊

鍵盤的按鍵閉合與釋放瞬間，輸入端信號會有毛刺。如果不進(jìn)行消抖處理，系統(tǒng)會將這些毛刺誤以為是用戶的另一次輸入，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤操作。因為人按鍵的時間大約為10ms，不可能有更快的按鍵動作發(fā)生。這里將10ms作為分界，把小于10ms的按鍵動作視為抖動，而時間長達(dá)10ms及以上的視為有效按鍵。

四、結(jié)論

綜上所述，最終的電路連接圖如圖4所示，根據(jù)對它進(jìn)行的仿真，如圖5所示，說明該系統(tǒng)能夠正確實現(xiàn)其功能。本文增加了“年月日星期”的切換顯示，并且其值可調(diào)，使得自動打鈴系統(tǒng)已經(jīng)不是單純的計時器，而是一本“日歷”，這樣在功能擴展時可以做到：如果周末休息不需要上下課打鈴，只需在“顯示控制及打鈴控制模塊”里加上當(dāng)星期weekday<=5時才執(zhí)行下面的打鈴功能。如果有條件可以考慮使用液晶顯示屏進(jìn)行多個參數(shù)“同時”顯示，而鈴聲可使用專用芯片的真人發(fā)聲或音樂提示，提高系統(tǒng)的人性化特征。同時要考慮其成本也會相應(yīng)增加，這是在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化設(shè)計中必須考慮的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯伯亨、顧新，VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計（修訂版），西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]張展、王亞洲，基于EDA技術(shù)的自動打鈴器設(shè)計，電子世界，2003，（04）.

作者簡介：

羅華陽，男，湖南邵東人，湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向：自動控制與通信技術(shù)。