1、1EDA技术应用总结报告基于EDA技术的电子抢答器设计与实现院（系、部）信息工程学院姓名班级指导教师签名年月日2目录1EDA技术的发展与应用311EDA概述312EDA技术的发展历程313EDA的发展方向414EDA技术的应用5141EDA技术在工程上的应用5142EDA技术在教学上的应用62电子抢答器的EDA设计与实现621电子抢答器的功能6211第一抢答信号的鉴别和锁存6212计时功能6213计分功能7214犯规设置722电子抢答器的结构原理7221电子抢答器的整体结构7222鉴别与锁存模块设计8223电子抢答器定时与犯规模块设计8224计分模块的设计103电子抢答器的EDA设计与实现特点
2、114总结125参考文献1331EDA技术的发展与应用11EDA概述EDA技术，近十年来随着微电子和计算机技术的进步及电子产品市场运作节奏的进一步加快已迈入了一个全新的阶段，其特点是通过软件方式的设计和测试，达到对既定功能的硬件系统的设计和实现。是一种以计算机为工作平台,利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以至人工智能学等多种计算机应用学科的最新成果而开发出来的一整套软件工具；是一种帮助电子设计工程师从事电子系统设计的综合技术。它的出现极大的改变了传统的设计方法、设计过程乃至设计观念，使广大的电子设计工程师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的辅助设计工作，而把精力集中于创造性
3、的方案与概念构思上，用新的思路来发掘硬件设备的潜力，从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。EDA是电子设计自动化（ELECTRONICDESIGNAUTOMATION）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言HD（HARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE）完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和
4、适配器。综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合，最终获得我们欲实现功能的描述文件；适配器的功能是将由综合器产生的王表文件配置与指定的目标器件中，产生最终的下载文件，如JED文件。适配所选定的目标器件（FPGA/CPLD芯片）必须属于在综合器中已指定的目标器件系列。12EDA技术的发展历程EDA技术是现代电子设计技术的核心，就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合布局布线
5、，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利4用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。因此，EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。在过去近30年的电子技术的发展历程，可大致将EDA技术的发展分为三个阶段第一阶段20世纪70年代，集成电路制作方面,MOS工艺已得到广泛的应用。可编程逻辑技术及其器件已经问世，计算机作为一种运算工具已在科研领域得到广泛的应用。而在后期，CAD的概念已见雏形。这一阶段人们开始利用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作。第二阶段20世纪80年代,
6、，集成电路设计进入了CMOS互补场效应管时代。复杂可编程逻辑器件已进入商业应用，相应的辅助设计软件也已投入使用。而在80年代末，出现了FPGAF，CAE和CAD技术的应用更为广泛，它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布局布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等方面担任了重要的角色，特别是各种硬件描述语言的出现、应用和标准化方面的重大进步，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。第三阶段进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确立，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用，与此同时电子技术在通信、计算机
7、及家电产品生产中的市场需求和技术需求，极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展。特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段，百万门以上的大规模ASIC设计技术的应用，促进了EDA技术的形成。更为重要的是各EDA公司致力于兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件的研究，都有效地将EDA技术推向成熟。13EDA的发展方向EDA技术在进入21世纪后，由于更大规模的FPGA器件的不断推出，在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断更新、增加，使电子EDA技术得到了更大的发展。电子技术全方位纳入EDA领域，EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包
8、容，突出表现在以下几个方面使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能；基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块；软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；SOC高效低成本设计技术的成熟。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的5设计方法和设计手段都发生了很大的变化。可以说电子EDA技术是电子设计领域的一场革命。传统的“固定功能集成块十连线”的设计方法正逐步地退出历史舞台，而基于芯片的设计方法正成为现代电子系统设计的主流。作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和掌握这一先进技术是势在必行，这不
9、仅是提高设计效率的需要，更是时代发展的需求，只有掌握了EDA技术才有能力参与世界电子工业市场的竞争，才能生存与发展。随着科技的进步，电子产品的更新日新月异，EDA技术作为电子产品开发研制的源动力，已成为现代电子设计的核心。所以发展EDA技术将是电子设计领域和电子产业界的一场重大的技术革命，同时也对电类课程的教学和科研提出了更深更高的要求。特别是EDA技术在我国尚未普及，掌握和普及这一全新的技术，将对我国电子技术的发展具有深远的意义。14EDA技术的应用141EDA技术在工程上的应用EDA技术广泛应用于科研工作和新产品的开发中。由于该技术设计电子系统具有用软件的方式设计硬件的特点,和系统可现场编
10、程、在线升级,整个系统可集中在一个芯片等特点,使该技术应用在科研和产品的开发中有着巨大的优势。EDA技术广泛应用于传统机电设备的升级换代和技术改造。传统机电设备的电气控制系统,如果利用EDA技术进行重新设计或进行技术改造,不但设计周期短、设计成本低,而且将提高产品或设备的性能,缩小产品体积,提高产品的技术含量,提高产品的附加值。EDA技术广泛应用于专用集成电路的开发，从事电子产品设计、开发等工作的人员,经常要求对所设计的电路进行实物模拟和调试。其目的,一是为了验证所设计的电路是否能达到设计要求的技术指标,另一方面,通过改变电路元器件的参数,使整个电路性能达到最佳值。EDA技术能将电子产品从电路
11、设计、性能分析到设计出印刷电路板的整个过程在计算机上自动处理完成。一台电子产品的设计过程,从概念的确立,到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、外观界面、热稳定性分析、电磁兼容性分析在内的物理级设计,再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点,可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。6142EDA技术在教学上的应用EDA技术广泛应用于高校电类专业的实践教学工作中,在EDA实验室不需要
12、添加任何新的东西,即可设计出各种比较复杂的数字系统,如频率计、交通控制灯、秒表等。随着电子技术的飞速发展,新器件与新实验方法层出不穷,传统的教学、实验方法已落后于时代的发展。各大院校相继建立起电子电工实验中心与EDA教学实验室,确立了实际操作与计算机模拟仿真相结合的实验教学方式,利用现代科技条件并充分挖掘现有仪器设备的潜力,从培养学生运用知识和提高实际工作能力出发,突出创新教育,注重对学生创新能力的培养,形成一个灵活多样、适应不同层次、不同专业要求的新型的教学、实验体系,以适应面向21世纪人才培养的需要。电子设计自动化教学的计算机化以及电子实验的数字化、计算机化是毫无争议的发展趋势。利用当今最
13、先进EWB、PSPICE、ISSPICE4等电子电路设计软件以及其它一些自动化设计软件,完成电子电路的计算机辅助设计、大规模集成电路设计实验、现场可编程门阵列FPGA和可编程逻辑器件PLD的实验以及印刷电路板PCB的设计。学生在计算机上完成电路设计计算、电路模拟和印刷电路板设计,并在实验室完成实际制作,培养学生设计电路系统的能力和实际操作的能力。以上这些教学的新手段已稍稍地走进了电子技术的课堂和实验室,正在改变着电子技术教学的传统模式,这也是时代发展,现代教育技术发展的必然。2电子抢答器的EDA设计与实现21电子抢答器的功能211第一抢答信号的鉴别和锁存该电子抢答器共设4个组别，每组控制一个抢
14、答开关，分别为A，B，C，D。在主持人发出抢答指令后，若有参赛者按抢答器按钮，则该组指示灯亮，同时显示器显示出抢答者的组别。同时，电路处于自锁状态，以使其他组的抢答器按钮不起作用。212计时功能在初始状态时，主持人可以设置答题时间的初时值。在主持人对抢答组别进行确认，并7给出倒计时计数开始信号以后，抢答者便可开始回答问题。此时，显示器从初始值开始倒计时，计至0时停止计数，同时扬声器发出超时报警信号。若参赛者在规定的时间内回答完问题，主持人即可给出计时停止信号，以免扬声器鸣叫。213计分功能在初始状态时，主持人可以给每组设置初始分值。每组抢答完后，由主持人打分，答对一次加1分，答错一次减1分。2
15、14犯规设置对提前抢答者和超时抢答者给予蜂鸣警示，并显示犯规组别。22电子抢答器的结构原理221电子抢答器的整体结构电子抢答器的整体结构如图1所示，它包括鉴别与锁存模块、定时与犯规设置模块以及计分模块。图1电子抢答器整体结构8222鉴别与锁存模块设计鉴别与锁存模块的主要功能是用于判断A、B、C、D四个组别抢答的先后，记录最先抢答的组别号码，并且不再接受其它输入信号，而对最先抢答的组别锁存，同时显示最先抢答的组别。根据以上功能要求，该模块的源程序必须包含四个抢答输入信号。现将其信号分别设为A、B、C、D；抢答时必须要有一个允许开始抢答信号，将其信号设为STA，该信号输入后，其输出指示灯亮，以便选
16、手知道允许抢答信号已发出，故可设置一个STA的输出指示灯信号为START；为了鉴别最先抢答者，可分别设置A、B、C、D组的输出指示灯为LED_A、LED_B、LED_C、LED_D，同时设置显示最先抢答组别号码的输出信号为STATES30；为了使系统进入重新抢答状态，还需要设置一个系统复位信号，可将其设为RST。其鉴别与锁存模块的仿真波形如图2所示。图2鉴别与锁存模块的仿真波形通过图2可以看出，当RST1时，系统处于初始状态，此时所有输入均无效；当RST0且STA0时，抢答无效；而当RST0且STA1时，START指示灯亮，D组为最先有效抢答组别，LED_D指示灯亮，并显示抢答成功组别D组为“
17、0100”。通过图2的仿真图及分析说明，可见其鉴别与锁存模块的功能设计正确。223电子抢答器定时与犯规模块设计定时与犯规模块的主要功能是用来对答题限时。当倒计时时间计为0时，系统将输出9报警信号，以对提前抢答者给予蜂鸣警示并显示犯规组别号码。根据以上功能设计要求，该模块需要设置一个倒计数器来限制答题时间，可将其信号设为TIME70。为了使倒计时器能够开始或停止工作，应设置一个计时使能输入信号EN；为了确定是否有选手提前抢答或超时答题，可将允许抢答信号STA和四个抢答输入A、B、C、D、显示抢答成功组别STATES30、系统时钟信号CLK_1HZ等作为输入信号，而将犯规报警器信号ALARM和犯规
18、组别显示OFFENDER作为输出信号。为了使蜂鸣器停止报警或使系统重新进入有效抢答状态，应设置系统复位输入信号RST。定时与犯规模块的仿真波形如图3所示，其中图3A为抢答犯规及暂停计时控制功能的仿真，图3B为答题犯规控制功能图3（A）抢答犯规及暂停计时控制功能的仿真图3B答题犯规控制功能的仿真10通过图3A可以看出，当RST1时，抢答无效，倒计时器初始值设为60S；当RST0，且STA0时，D组提前抢答，报警器开始报警，OFFENDER显示犯规组别“0100”，说明提前犯规组别为D组。此后主持人按下RST键，使RST1，此时报警器停止报警，系统进入初始状态；而当RST0且STA1，A组抢答成功
19、，计时使能信号EN1，当时钟信号CLK_1HZ的上升沿来时，倒计时器开始计时，当A组在限定时间内回答完问题，主持人按下计时使能信号，使EN0，倒计时器停止计时，同时防止报警器报警。而通过图3B可以看出，当RST0，STA1时，A组抢答成功，但没在限定时间内回答完问题，60S倒计时时间计为0时，报警器开始报警，OFFENDER显示犯规组别为“0001”，说明超时犯规组别为A组；主持人按下复位键，使RST1，报警器停止报警，OFFENDER显示“0000”，即将犯规组别的号码清零，系统重新进入初始状态。224计分模块的设计计分模块的主要功能是对抢答成功并答对的组别进行加分操作或对抢答成功但答错的组
20、别进行减分操作，同时通过译码显示电路显示出来。根据以上的功能设计要求，该模块需要将加、减分操作ADD、SUB和系统时钟CLK_1HZ作为输入信号，而各组别的分数显示作为输出信号AA030、BB030、CC030、DD030；为了确定给哪个组别加或减分，需要有一个抢答成功组别的输入信号，可将其设为CHOSE。为了使系统能进入下一轮的抢答，应设置系统复位输入信号RST。其计分模块的仿真模型如图4所示。通过图4可以看出，当RST1时，系统进入初始状态，A、B、C、D组的初始分值都为5，当ADD1，系统时钟信号CLK_1HZ的一个上升沿到来时，就给CHOSE当前鉴别的组别“0001”组加1分，当SUB
21、1，系统时钟信号CLK_1HZ来一个上升沿时，就给CHOSE当前鉴别的组别“0010”组减1分。11图4计分模块的波形仿真图3电子抢答器的EDA设计与实现特点电子抢答器的EDA设计与实现可编程逻辑器件FPGA为设计载体，以硬件描述语言VHDL为主要表达方式，以QUARTUS开发软件和GW48EDA开发系统为设计工具设计了一种具有第一抢答信号鉴别和锁存、计时和计分，并可对提前抢答和超时抢答进行蜂鸣警示等功能的电子抢答器。VHDL即超高速集成电路硬件描述语言,是作为电子设计主流硬件的描述语言。它具有很强的电路描述和建模能力,能从多个层次对数字系统进行建模和描述,从而大大简化了硬件设计任务,提高了设
22、计可靠性,用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现,而不需要对不影响功能与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。硬件描述语言可以在三个层次上进行电路描述,其层次由高到低,分为行为级、几级和门电路级。应用VHDL进行电子系统设计有以下优点1VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心,将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试,只需花较少的精力用于物理实现。2VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计,灵活且方便,而且也便于设计结果的交流、保存和重用。3VHDL的设计不依赖于特定的器件,方便了工艺的转换。4VHDL是一个标准语言,为众多的
23、EDA厂商支持,因此移植性好。电子抢答器分别利用原理图设计和硬件描述高级语言VHDL设计的优点完成了对应单元的电路设计,使系统较为简洁合理。利用复杂可编程器件CPLD实现了抢答器的系统功12能,使电路引脚定义自如,实际印制板布线灵活,应用可靠。应用复杂可编程器件的软硬件特点和在系统可编程ISP技术,按具体发展的要求,还可对系统的功能进行再编程设计来不断完善系统功能,缩短设计周期,同时保证设计系统的高可靠性。本文分别利用原理图设计和硬件描述高级语言VHDL设计的优点完成了对应单元的电路设计,使系统较为简洁合理。利用复杂可编程器件CPLD实现了抢答器的系统功能,使电路引脚定义自如,实际印制板布线灵
24、活,应用可靠。应用复杂可编程器件的软硬件特点和在系统可编程ISP技术,按具体发展的要求,还可对系统的功能进行再编程设计来不断完善系统功能,缩短设计周期,同时保证设计系统的高可靠性。并阐述了电子抢答器的工作原理和软硬件实现方法。并对电子抢答器的各部分模块进行了时序仿真和硬件验证，结果表明，该电路能够实现其所要求的功能。另外，由于FPGA芯片体积小，功耗低，价格便宜，安全可靠，稍加修改就可以改变抢答器的抢答组别数，而且抢答时间设定和成绩组成方式以及维护和升级都比较方便，同时也很容易做成ASIC芯片，因而具有较好的应用前景。4总结EDA技术为现代数字系统理论和设计的表达与应用提供了可能性，它已不是某
25、一学科的分支，而是一门综合性学科。EDA技术打破了计算机软件与硬件间的壁垒，使计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一，它代表了数字电子设计技术和应用技术的发展方向。21世纪将是EDA技术的高速发展时期,并着眼于数字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展。EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域，随着基于EDA的SOC设计技术的发展、软硬核功能库的建立、IP核复用，以及基于HDL的自顶向下的设计理念的确立，未来的电子系统级设计ESL将不再是电子工程师们的专利。135参考文献1李洋EDA技术实用教程北京机械工业出版社20082符兴昌EDA技术在数字系统设计分析中的应用J微计算机信息,2006,52章267269页3胡丹基于VHDL的智力竞赛抢答器的设计与实现J现代机械，20074张彩珍EDA的发展及组成兰州铁道学院学报2002年第6期23页5孙迎春EDA技术应用浅谈黑龙江科技信息2007/23第2页6董传岱EDA技术及其应用实验科学与技术期刊20111第3页
