基于CPLD的水下沖擊波記錄儀的設(shè)計(jì)

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(diǎn)就是都有一個(gè)SHDN輸入端，當(dāng)SHDN端為低電平時(shí)，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(shí)，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(shí)共有5個(gè)狀態(tài)：低功耗延時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)保持電源，因此不用時(shí)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(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間到了之后其它模塊自動(dòng)上電，處于待觸發(fā)狀態(tài)，準(zhǔn)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。隨著觸發(fā)信號(hào)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(jìn)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(shí)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(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)了低功耗。
　　
Xilinx器件的集成度范圍可達(dá)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(gè)離散邏輯器件、多個(gè)PLD或是FPGA組成的,還是由幾個(gè)定制的器件組成的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)器集成到CPLD芯片中,特別有利于芯片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì),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(jìn)行電路設(shè)計(jì), 可以大幅度地減少印制板的面積、焊點(diǎn)和接插件, 降低裝配和調(diào)試費(fèi)用。大量的分立器件在進(jìn)行印制板電裝時(shí), 往往會(huì)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(jī)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(jì)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(jì)開發(fā)提供了極大的方便，因此本系統(tǒng)采用ISE進(jìn)行設(shè)計(jì)。它可以便捷地完成設(shè)計(jì)輸入、編輯、與校驗(yàn)工具連接,設(shè)計(jì)人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)的EDA設(shè)計(jì)輸入工具來建立邏輯設(shè)計(jì),使用ISE編譯器對(duì)XCR3256器件進(jìn)行編譯,其設(shè)計(jì)流程如圖3。
　　
4.1　設(shè)計(jì)輸入
　　
設(shè)計(jì)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(gè)功能塊: 單向總線緩沖器的產(chǎn)生, A/D時(shí)鐘信號(hào)、寫信號(hào)及片選信號(hào)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(duì)讀數(shù)時(shí)鐘的消抖等都是采用硬件描述語言(VHDL)來實(shí)現(xiàn)的,最后采用原理圖輸入把各個(gè)功能塊連接在一起。采用語言描述的優(yōu)點(diǎn)是效率較高, 結(jié)果也較容易仿真, 信號(hào)觀察較方便。
　　
4.2　設(shè)計(jì)處理
　　
分別在設(shè)計(jì)文件中讀取信息并產(chǎn)生編程文件和仿真文件及自動(dòng)錯(cuò)誤定位, 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查以及各器件劃分,編譯器還能實(shí)現(xiàn)用戶指定的定時(shí)要求,例如:傳播延時(shí)(tPD),時(shí)鐘頻率(f osc)等。

　　圖3　設(shè)計(jì)流程　　
4.3　設(shè)計(jì)仿真
　　
當(dāng)設(shè)計(jì)完成后, 設(shè)計(jì)者可以通過仿真來驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的特性是否和設(shè)計(jì)目的相一致, 這里是通過時(shí)序模擬來測(cè)試邏輯功能及器件最差情況下時(shí)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(jì)要求。
　　
4.4　器件編程
　　
完成設(shè)計(jì)輸入和時(shí)序仿真操作后,最后一步就是對(duì)XCR3256器件進(jìn)行編程,用計(jì)算機(jī)通過Xilinx專用編程電纜進(jìn)行配置,編譯生成的配置文件經(jīng)計(jì)算機(jī)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(duì)器件進(jìn)行配置。這種方法的優(yōu)點(diǎn)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(shí)經(jīng)常需要對(duì)電路設(shè)計(jì)劃分來逐步調(diào)試。通過更改設(shè)計(jì),可以對(duì)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(cè)試水下爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波的強(qiáng)弱, 采用CPLD器件進(jìn)行設(shè)計(jì),大大提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)還可以降低設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果。