基于可编程逻辑器件单稳态电路的设计与实现.pdf

2 0 1 1 年第 2 5 卷第 6期 石油仪器 PETR0LEUM I NS TRUMENTS 计算机与通讯 基于可编程逻辑器件单稳态电路的设计与实现 韩 彬 王坤宁 周宁侠 余 坤 中国石油集 团测井有 限公 司装备 与销售分公 司 陕西 西安 摘 要针对常规硬件电路实现单稳态功能， 存在电路复杂、 灵活性差的问题， 所提 出新的解决方案。文章就中子寿 命地面仪中解码电路的设计， 提出采用可编程逻辑器件来实现的设计思想， 从硬件及软件两个方面描述此电路的设计方 法， 并给出了V H D L软件设计的实例。经时序仿真及实际使用验证， 基于可编程器件的单稳态电路设计， 大幅提高单稳 态电路 关于脉 冲宽度、 精度及稳定性的要求 ， 具有控 制灵 活、 使 用方便的优点 。 关 键 词可编程 器件 ；单稳 态 ； V H D L ；时序仿真 ； A h e r a 中图法分 类号 T P 3 3 1 ． 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 1 0 6 0 0 7 5 0 2 0 引言 1 电路设计 在 电路设计 中， 常使用单稳态 电路完成整形 、 延 时 、 窄 脉 冲 展 宽 等 功 能， 通 常 使 用 元 件 7 4 L S 1 2 3 、 7 4 L S 2 2 1 等集成单稳 态芯片来实现【 、 2 J 。 目前使用的 中子寿命 地 面仪 中解 码 电路 ， 就使用 了 7 4 L S 1 2 3和 7 4 L S 2 2 1 元件实现窄脉冲展宽功能。 无论采用哪种元件， 都 由外 围的 R、 C阻容元件决 定定时时间。由于每一个阻容元件具有不 同的参数误 差 ， 以及受外围温度影响较大 ， 导致单稳态 电路定时精 度低且稳定性较差 ， 工作的可靠性不高 ； 同时 ， 定时时 间由外 围阻容元件决定 ， 一旦外 围电路固定 ， 较难改变 定时时间 ， 缺少灵活性 ； 此外 ， 这种单稳态电路结构复 杂 ， 占用电路板面积大 ， 无 法做 到集 成化 、 小 型化_ 3 ] 。 针对单稳态 电路 目前现状 ， 有必要选择一种新 的方法 取代当前电路。 随着电子技术特别是数字集成 电路技术的迅猛发 展 ， 可编程逻辑器件的逻辑容量和工作速度不断提高 ， 产品价格越来越低 ， 得 到了广泛应用 。利用可编程逻 辑器件替代 目前的单稳态集成 电路 ， 可 以有效提高单 稳态电路关于脉冲宽度 、 精度和温度稳定性方面的要 求 ， 还大幅减小 电路面积 ， 提高集成度。可编程逻辑器 件采用 V H D L V e r y Hi g h S p e e d H a r d w a r e D e s c r i p t i o n L a n g u a g e超高速硬件描述语 言 描述 ， 硬件设 计软件 化 ， 具有极强的灵活性。 A l t e r a 公 司为可编程 逻辑器件 的领 导者， 其产品 一 直在业界 占有重要地位。本设计使用 A l t e r a公司的 E P M7 1 2 8 元件 ， 实 现中子 寿命地 面仪解 码电路 中， 单 稳态电路脉冲展宽功能。E P M7 1 2 8作为 A l t e r a 公司推 出的一款经典可编程逻辑器件 ， 具有高容量 、 高性能 、 功耗低 、 成本低 的优点 ， 得到 了广泛的应用， 而且其 电 源部分及 I ／ 0端口使用 5 V标准 ， 便于和外围的 1 1 ’ L 元件接 口对接 ， 这样对现有箱体不做大的改动情况下 ， 迅速实现设计要求 ， 加快设计进度_ 4 J 。 和通常的硬件 电路设计不 同， 可编程逻辑器件设 计的重点是软件部分， 即所谓硬件设计软件化， 使用软 件编程来实现硬件电路功能。本设计采用 A l t e r a公司 的 Q u a n s I I 设计软件 ， 使用 V H D L语言编程。但是 ， 常见的单片机 C语言编程是单步串行工作 的， 是串行 语句 ， 而 V HD L语言描述 的对象是硬件 电路 ， 上电后 ， 所有硬件电路同时工作 ， 故 V H D L是并行语 句。使用 V HD L编程 ， 不能按照纯软件 的设计思想 ， 而要按照描 述电路的思想， 也就是说， 使用 V H D L编程对应得是 一 个个硬件 电路。因此， 每编写完成一段程序以后 ， 生 成 的是什么电路 ， 具有什么样的功能， 都要做到心中有 数 [ 5 、 。 故此 ， 基于可编程逻辑器件的单稳态电路 ， 其软件 设计思想就是把一个 电路合理的分解为几个电路 ， 从 第一作者简 介 韩彬 ， 男 ， 1 9 7 2年生 ， 工程师 ， 1 9 9 6年毕业于江汉石油学院仪器专 业 ， 现在 中国石油集 团测 井有限公 司装备 与销售分公 司从事工 作 。邮编 7 1 0 0 6 8 石油仪器 P E T R O L E U M I N s T R U ME N T S 2 0 1 1 年 1 2月 而实现单稳态电路功能， 而对外围电路来说 ， 只需把对 应的管脚连接起来即可。 基于 C P L D器件 ， 使用 V H D L语言， 采用模块化设 计理念实现的单稳态电路如图 1 所示。整个电路有三 个管脚 ， 分别为系统时钟输入端 C L K、 脉 冲信号输 入 端 P i n 、 脉冲信号输出端 P o u t 。其内部电路分解为边沿 检测电路 、 使能信号产生电路 、 计数器及信号输 出电路 等四个电路 。 图 1 C P L D 内部 电路分解 图 C P L D内部电路工作过程如 图 2所示 ， 脉 冲信 号 输入端 P i n管脚输入 的脉冲信号首先进入 D 1边沿检 测电路 ， 当它检 测到一个 上升沿 时， 对 D 2使能信 号 产生电路起作用 ， 使能信号有效 ； 当使能信号有效时， CLK P 使 能信 号有效 使能信号无 效 图 2 C P L D 内部电路工作过程 D 3计数器开始计数 ， 同时 D 4信号输 出电路输 出高电 平 ， 当计数器计数到最大值时， 使能信号无效 ， 这时 D 3 计数器停止计数并清零 ， 同时 D 4信 号输出电路输出 低电平 ， 这时， 本次单稳态电路工作完毕 ， 等待下一次 输人脉冲。所有 的电路都在系统 时钟 C L K的控制下 工作 ， 保证 电路为同步电路 ， 避免出现毛刺 ， 同时 ， 系统 时钟又决定了定时时间的精度 ， 在芯片所能认定的最 高频率范 围内， 提高系统时钟就能提高定时时间的精 度。在本次设计 中使用的系统时钟确定为 1 MH z 时， 单 稳态电路的精度就是 1 ／ _t s 。其程序的部分代码如下 E NT I T Y L S 2 2 1 I S G E N E R I c T I ME D E L A Y I N T E G E R 2 0 ； 定义常量， 脉冲延迟时间 P0RT c l k I N S TD L O G I C； 系统时钟 pi n I N S TD L O G I C ； 输入信号 po u t OUT S TD L O G I C 输出信号 ； ENn 2 验证 Q u a r t e t s I I 是 A h e r a 公司新推出的设计软件 ， 具有 输入 、 综合 、 布局布线 、 下载等功能 ， 还具有时序仿真功 能。通过时序仿真功能 ， 可 以观察输 出信 号是否满足 设计要求 ， 验证 电路设计是否正确 ； 通过 时序仿 真功 能 ， 可以及时发现设计 中的错误 ， 从而大大缩短设计时 间， 提高设计的可靠性 ， 这也是可编程逻辑器件最大的 优点之一 。 使用 Q u a p s I I 设计软件 ， 其生成 的时序仿真波形 如 图 3 所示。 -一 ⋯1 ⋯0 N， ， ’ 蛙 2 。 毋 L 5 2 2 1 D ⋯r 母 ⋯d _ T _ _ ⋯ ’ J ⋯ T “⋯ ⋯ l “n t t ’p ‘ k - t 书 。 ～ ⋯ 『 nn1nn _ 。 兀叽九几n兀u几兀m叭 几一 叭 I， 、 『 wm I } 图 3单 稳 态 脉 冲 展 宽 电 路 时 序仿 真 图 由图 3可 以看到， 当输入端 P i n出现一个脉冲信 号后 ， 输 出端 P o u t 就会产生一个维持一段时间高 电平 的脉冲信号。这个时间是在类属表 中定义 ， 如程序部 分 所示 ， 这 里定 义 为 2 0 ， G E N E R I C T I MED E L A Y I N T E G E R 2 0 。系统时钟设置为 1 MH z即 1／_ t s 时 ， 延迟时间就定义为 2 0 s ， 测量 P o u t 的宽度 ， 可以看到 它的宽度为 2 0 s ， 表明当输入端 出现一个窄脉冲信号 时 ， 输出端就会 产生一个时间宽度为 2 0 S的脉 冲信 号。时序仿真结果证明本电路符合设计要求 。 另外 ， 使用示 波器验证设计正确与否。在输入管 脚输入一个窄脉冲， 在输出管脚用示波器测量 ， 看输出 脉冲的长度是否等于程序 中定义的延迟时问。经实际 测量 ， 完全符合程序要求的延迟时间， 证明本 电路符合 设计要求 。 3 结束语 随着可编程逻辑器件性能的不 断提高 、 体积的不 断减小和成本的不断降低 ， 已经广泛使用在各种电路 设计 中。基于可编程逻辑器件的单稳态电路 ， 无需外 接 R、 C定时元件 ， 从而大幅提高单稳态电路关于脉冲 宽度 、 精度及稳定性 的要求 ， 输出脉冲宽度准确 、 稳定 、 精度高， 仅与系统时钟有关。同时， 一片 C P L D元件即 可替代几十片常规元件 ， 大大减少了电路面积 ， 提高了 设计的集成度， 使用单稳态电路越多时 ， 这个优点越明 显。 基于可编程逻辑器件 的单稳态电路设计 ， 使得硬 下 转第 7 9页 2 0 1 1 年第 2 5卷第 6期 沈鑫 一种面向业务中间件的研究与设计 7 9 数 ， 只有一种类型 ， 这样大大降低 了系统的耦合度。 普适所有项 目的实现架构 ， 该中间件包含下面核 心组件 系统 时钟管理 、 系统 13志管理 、 系统消息管理、 系 统权限管理 、 系统异常管理 、 系统数据源管理 、 系统主 框架生成组件 、 业务数据协议交换及通讯组件 、 业务数 据状态机组件 、 工作流引擎 、 物理对话组件 、 业务数据 总线控制组件 、 物理对话生成控制组件等。 笔者 已经实现 了一个这样 的系统 ， 该系统基于跨 平台的 J a v a 语 言实现 ， 以 X m l 作为系统数据总线 ， 并 可应用在不同的操作系统上， 来开发不同的应用系统。 笔者已经用该中间件来开发了道路运输管理系统和检 察院系统 ， 证 明该 中间件是经过了实践检验可行性。 3结论 本文从实际出发 ， 从一个角度来解决软件开发速 度效率问题 以及软件开发的业务复用 问题。在实践 中 采用 了目前 比较流行的 B O A架构 、 x ml 技术 和软件工 程可服用理论最新 成果 ， 以及 中间件技术对 它们 的整 合应用做一个深人的探索 。笔者已经实现了一种面向 业务的中间件 ， 并以应用到实际项 目的开发 ， 但相对于 传统的中间件 ， 实际应用中的面向业务的 中间件仍有 大量的工作要做 ， 将来 的工作应该是不断的抽取更符 合行业标准的业务模型 ， 能够更大范 围的实现软件开 发的复用以及更大程度 的降低软件开发对人 的依赖 ， 从而实现真正意义上的软件工业化。 参 考 文 献 [ 1 ] 鱼滨． 基于X ML的集成中间件技术研究[ D] ． 西北大 学博士论文 ， 2 0 0 3 [ 2 ] 贾克斌 ， 李邑哲， 刘鹏字， 等．中间件技术在异构与互操 作环境 中的应 用研究 [ M] ． 北 京工 业大 学学 报 ， 2 0 0 7 ， 3 3 1 [ 3 ] 布里顿， 著， 刁联旺， 李彬， 译．I T体系结构与中间件 建设大型集成系统的策略[ M] ．北京 人民邮电出版社， 20 0 3 l 4 J T a i S t e f a n ， D e s a i N i r n i t ， Ma z z o l e n i P i e t r o ． A p p l i c a t i o n a n d mi dd l e wa r e． S i x t h I n t e r na t i o n a l Wo r ks h o p o n S of t wa r e En g i n e e r i n g a n d Mi d d l e wa r e Wo r ks h o p P r o c e e d i n g s， Po r t l a n d o r Uni t e d S t a t e s ，20 0 6 l 5 j S v e n A p e 1 ， K l e m e n s B o h m．T o w a r d s t h e D e v e l o p m e n t o f Ub i g u i t o u s Mi d d l e wa r e P r o d uc t L i n e s．S o f t wa r e En gi n e e r i ng a n d Mi d d l e w a r e ， 2 0 0 5 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 3 编辑 梁保 江 上接 第 7 6页 件 电路设计软件化 ， 整个过程如同软件编程一样方便 ， 简单的几句话就能改变它 的延迟时间 ， 在模 块化设计 中， 上层模块调用单稳态脉冲展宽模块时 ， 只需在元件 调用语句中修改类属表 G E N E R I C中的定义 即可。在 描述语句中只需要一点小小 的改变 ， 产生的电路形式 也多种多样 ， 在计数器清零判断语句 中只判断使能信 号， 这样描述的电路就是元件 7 4 L S 2 2 1 ， 不可重触发脉 冲展宽电路； 在计数器清零判断语句中判断使能信号 或输 入 端 的 上 升 沿 ， 这 样 描 述 的 电 路 就 是 元 件 7 4 L S 1 2 3 ， 可重触发脉冲展宽电路。 不仅如此 ， 基于可编程逻辑 器件 的单稳态电路设 计 ， 使用时序仿真功能 ， 提前就能验证电路设计是否正 确 ， 及时发现错误 ， 不像 以前只有等电路板全部焊接好 以后 ， 才能验证 ， 有效保证电路 的准确性 ， 减少设计 时 间和成本。 不管是时序仿真 ， 还是对信号的实际测量 ， 其结果 都表 明， 基于可编程逻辑器件 的单稳态 电路 ， 达到了预 期的设计效果 ， 完全可 以取代 旧式 的设计电路 。本设 计已经使用在最新设计 的中子寿命地面仪解码 电路 中， 产品计划出口到伊 朗。基于可编程逻辑器件的单 稳态电路 ， 以其强大的功能 ， 众多的优点 ， 必将得到越 来越广泛的应用。 参 考 文 献 [ 1 ] 袁绍明． 基于 C P L D器件的单稳态脉冲展宽电路[ J ] ． 电 子技术应用 ， 2 0 0 1 ， 1 2 5 [ 2 ] 王金花， 姚宏宝． 可编程逻辑器件实现单稳态触发器[ J ] ． 红外与激光工程 ， 2 0 0 2 ， 3 1 2 [ 3 ] 赵世平 ， 张玉华 ．基于 V H D L的全数 字单稳 态 电路研 究 [ J ] ．电力学报 ， 2 0 0 5 ， 1 9 4 [ 4 ] A h e r a 公司． E P M7 1 2 8 数据手册 ． 2 0 0 4 资料 [ 5 ] 侯伯亨． 数字系统设计基础[ M] ． 西安 西安电子科技大 学 出版社 ， 2 0 0 0 [ 6 ] 蔡 良伟 ． 数字电路与逻辑设计[ M] ．西安电子科技大学 出版社 ， 2 0 0 9 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 0 5 编辑 梁保江