采用CPLD的水下沖擊波記錄儀的應(yīng)用設(shè)計

3.2　功耗低,集成度高
　　
圖2中電源管理電路中的電源芯片主要包括MAX1658、MAX1659和MAX1616，它們的共同點就是都有一個SHDN輸入端，當(dāng)SHDN端為低電平時，無論電壓輸入端輸入多大電壓，輸出電壓均為0V，而只有當(dāng)SHDN端為高電平，輸入端接入合適電壓時，輸出端才能產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值供系統(tǒng)正常工作。由于裝置最終工作在水下，需要電池供電，這就要求電路必須低功耗。
　　
記錄儀工作時共有5個狀態(tài)：低功耗延時設(shè)置待上電狀態(tài)、低功耗待觸發(fā)狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)、數(shù)據(jù)保持狀態(tài)、讀出數(shù)據(jù)狀態(tài)。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是在中心控制模塊的控制之下完成的。系統(tǒng)自帶了一個數(shù)據(jù)保持電源，因此不用時系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)保持狀態(tài)。主控模塊上電以后，通過四路撥碼開關(guān)設(shè)置延時時間，延時時間到了之后其它模塊自動上電，處于待觸發(fā)狀態(tài)，準備對數(shù)據(jù)進行采集。隨著觸發(fā)信號的到來，系統(tǒng)狀態(tài)被轉(zhuǎn)換至數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)，記錄完畢后，系統(tǒng)進入低功耗數(shù)據(jù)保持狀態(tài)等待被回收。取回裝置后，讀數(shù)時系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為讀出數(shù)據(jù)狀態(tài)，讀數(shù)結(jié)束后系統(tǒng)又處于數(shù)據(jù)保持狀態(tài)，等待下一次記錄。這樣系統(tǒng)每記錄一次，其對應(yīng)的狀態(tài)就要循環(huán)一次。在系統(tǒng)工作的不同階段，我們可以通過CPLD內(nèi)部數(shù)字邏輯來控制各個電源芯片的SHDN輸入端，讓必須工作的芯片的SHDN輸入端置高，不需要工作的芯片的SHDN輸入端置低，從而實現(xiàn)了低功耗。
　　
Xilinx器件的集成度范圍可達300～250000可用門,可以很容易地集成現(xiàn)有邏輯功能, 無論這些邏輯是由多個離散邏輯器件、多個PLD或是FPGA組成的,還是由幾個定制的器件組成的。在系統(tǒng)設(shè)計中,集成度提高意味著設(shè)備規(guī)模減小,元器件數(shù)量減小,而元器件數(shù)量減小就必然降低功耗,特別是嵌入式陣列塊(EAB)的使用,可以把存儲器集成到CPLD芯片中,特別有利于芯片上系統(tǒng)的設(shè)計,降低了系統(tǒng)的成本,設(shè)備功耗,而且能夠提高系統(tǒng)的性能和可靠性。
　　
3.3　低成本，高可靠性
　　
采用CPLD器件來進行電路設(shè)計, 可以大幅度地減少印制板的面積、焊點和接插件, 降低裝配和調(diào)試費用。大量的分立器件在進行印制板電裝時, 往往會發(fā)生由于虛焊或接觸不良而造成故障, 并且這種故障常常難以發(fā)現(xiàn), 給調(diào)試和維修帶來極大的困難。因此, 采用CPLD 器件后, 由于集成度提高, 元器件數(shù)量減少, 印制板數(shù)量減少, 因而分機組合減少, 降低設(shè)備的綜合成本, 使得設(shè)備的可靠性大大提高。
　　
4　設(shè)計過程
　　
Xilinx公司的CPLD開發(fā)工具ISE，支持多種輸入方式，給設(shè)計開發(fā)提供了極大的方便，因此本系統(tǒng)采用ISE進行設(shè)計。它可以便捷地完成設(shè)計輸入、編輯、與校驗工具連接,設(shè)計人員可以使用標準的EDA設(shè)計輸入工具來建立邏輯設(shè)計,使用ISE編譯器對XCR3256器件進行編譯,其設(shè)計流程如圖3。
　　
4.1　設(shè)計輸入
　　
設(shè)計輸入方式有原理圖輸入,硬件描述(HDL)語言輸入,波形輸入等多種方式。記錄儀電路的各個功能塊: 單向總線緩沖器的產(chǎn)生, A/D時鐘信號、寫信號及片選信號的產(chǎn)生,地址發(fā)生器的產(chǎn)生，讀、寫命令及數(shù)據(jù)的傳輸控制，對讀數(shù)時鐘的消抖等都是采用硬件描述語言(VHDL)來實現(xiàn)的,最后采用原理圖輸入把各個功能塊連接在一起。采用語言描述的優(yōu)點是效率較高, 結(jié)果也較容易仿真, 信號觀察較方便。
　　
4.2　設(shè)計處理
　　
分別在設(shè)計文件中讀取信息并產(chǎn)生編程文件和仿真文件及自動錯誤定位, 設(shè)計規(guī)則檢查以及各器件劃分,編譯器還能實現(xiàn)用戶指定的定時要求,例如:傳播延時(tPD),時鐘頻率(f osc)等。

　　圖3　設(shè)計流程

　　
4.3　設(shè)計仿真
　　
當(dāng)設(shè)計完成后, 設(shè)計者可以通過仿真來驗證設(shè)計電路的特性是否和設(shè)計目的相一致, 這里是通過時序模擬來測試邏輯功能及器件最差情況下時間關(guān)系。通過仿真結(jié)果可以很直觀地觀察到結(jié)果是否符合設(shè)計要求。
　　
4.4　器件編程
　　
完成設(shè)計輸入和時序仿真操作后,最后一步就是對XCR3256器件進行編程,用計算機通過Xilinx專用編程電纜進行配置,編譯生成的配置文件經(jīng)計算機并行通信口接到Xilinx專用編程電纜上,再接到器件的編程接口,利用ISE開發(fā)系統(tǒng)提供的編程軟件即可對器件進行配置。這種方法的優(yōu)點是配置方便、迅速,便于修改。這非常有利于電路的調(diào)試, 電路調(diào)試時經(jīng)常需要對電路設(shè)計劃分來逐步調(diào)試。通過更改設(shè)計,可以對器件重新編程, 容易完成電路調(diào)試。
　　
5　結(jié)束語
　　
本文中介紹的水下沖擊波記錄儀主要用于測試水下爆炸時產(chǎn)生的沖擊波的強弱, 采用CPLD器件進行設(shè)計,大大提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性,提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度,縮短了產(chǎn)品研制的周期,同時還可以降低設(shè)計成本,節(jié)省PCB板的面積和布線難度，提高了設(shè)備可靠性，得到了滿意的試驗結(jié)果。