超大规模集成电路课程设计报告.docx

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超大规模集成电路课程设计报告

集成电路软件课程设计报告

学生姓名：

××专业班级：

××××××班

指导教师：

吴皓莹工作单位：

信息工程学院

题目：

初始条件：

集成电路设计及其应用是微电子技术一个非常重要的方面。

集成电路设计通常包括：

系统（或逻辑）设计、电路设计、版图设计和工艺设计。

通常有两种设计途径：

正向设计和逆向设计正向设计是指由电路指标、功能出发，进行逻辑设计（子系统设计），再由逻辑图进行电路设计，最后由电路进行版图设计，同时还要进行工艺设计。

要求完成的主要任务：

（1）每位同学自选一个题目，自行设计一个电路，不能出现相同的题目（或电路）。

（2）按集成电路设计以下几个阶段：

系统（或逻辑）设计、电路设计、版图设计。

在每个阶段利用相关软件对设计的电路进行计算、分析、设计、模拟和仿真。

（3）利用集成电路芯片进行电路设计，需对设计的系统或电路进行结构和原理进行分析，对电路进行分析计算和仿真等方面的工作。

（4）完成课程设计报告，（应包含电路图，元件清单，调试及设计总结）。

时间安排：

1．2011年12月30日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2．2011年12月31日至2012年1月9日完成资料查阅、设计、制作与调试。

3．2012年1月10日至2012年1月11日完成课程设计报告撰写。

3．2012年1月13日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

基于单片机的逻辑采集电路设计

摘要

本多路逻辑采集系统主要由逻辑信号发生器，信号调理部分，按键调控模块，显示模块及主控制器模块。

信号发生器用于产生八路固定可预置信号，而信号调理模块用于将采集到的信号转变为数字器件可以处理的数字信号，其中使用DA产生比较大电压，用于适应不同信号的输入。

本设计采用简易的移位寄存器实现八路固定信号的产生，主控制芯片使用TI公司的MSP430F249实现数字信号的获取以及12864显示器的控制。

12864液晶显示器最多可以实现八路信号128个信号位的显示。

按键模块用于系统设计及触发方式（如多级触发）的选择，操作过程中均有人性化界面的显示。

本设计使用芯片少，实现成本低，而很好地可以实现题目所要求的功能，因而更加稳定。

关键字：

逻辑信号采集，多级触发。

abstract

Thesimplelogicanalyzermainlybythelogicsignalgenerator,signalconditioningparts,keycontrolmodule,displaymoduleandmastercontrollermodule. Signalgeneratorcanbeusedtogenerateeight-100kfixedpresetsignal,andsignalconditioningmodulesusedtocollectthesignalintoadigitaldevicecanhandledigitalsignals,whichusetheDAarelativelylargevoltagesignalsusedtoadapttodifferentinputs. Thisdesignusesasimpleshiftregistersforeightfixedsignalgeneration,themaincontrolchipusesTI'sMSP430F249digitalsignalacquisitionandcontrolofthedisplay12864. 12864LCDmonitorsuptoeightsignal128candisplaydigitalsignals.Keymodulesforsystemdesignandtrigger（suchasmulti-leveltrigger）thechoiceofoperationinbothhumaninterfacedisplay. Thedesignusesasmallchiptoachievelowcost,andcanachieveagoodtopictherequiredfunctions,andthusmorestable.

Keyword:

logicanalyzer,12864,Multi-level trigger

1方案选择及分析

1.1核心系统方案选择

逻辑信号采集主要用于同时收集外部信号并用显示器实时显示用户指定位置的信号，因而可以帮助工程师们快速发现信号中的错误，从而改进程序和方案。

而通常的逻辑分析仪要求的采样速率不同，因而采样方案也会不同，主要有以下几种方案：

方案一、使用FPGA采集信号，并用于控制外部电路的信号时序。

FPGA实现的优点就是可以实现高速采样，可以发现信号中很短时间内的信号变化，在发现脉冲信号及竞争冒险的电路时是非常方便的。

并且对于本设计，不需要存储大量信号的情况，使用FPGA内部的存储器也就可以实现了。

但是FPGA用于控制LCD的程序比较复杂，而且不易实现实时，并且如果使用仿真软件实现逻辑分析仪Quartus无法实现显示功能，故此方案不宜使用。

方案二、使用FPGA和单片机配合工作。

FPGA负责对外部信号的高速采样，而单片机负责显示及键盘等交互接口。

此方案可以很好地解决FPGA很难控制交互界面的缺点，并且可以做到高速采样，内部存储器等优化功能，但是这样容易导致系统的复杂程度加大，而且成本可能会在无形中增大。

方案三、使用单片机完成包括采样，显示及键盘控制等电路。

该方案可以解决交互界面的制作问题，但是无法完成告诉的采样，无法发现信号的小突变及晶振冒险。

本简易逻辑分析仪主要针对100Hz的信号，如果要基本完全还原原信号，采样时钟只需要1k左右即可。

因而无需使用非常告诉的采样速率，并且MSP420F249内部含有2k的ram，已经可以符合设计的要求，所以，本设计采用第三种方案完成简易逻辑分析仪的设计与制作。

1.2八路可预置信号发生器

设计要求产生八路可预置的移位信号，因而必定通过八位移位寄存器完成此功能。

此外要求中明确规定需以100kHz的方波为基准频率，因而需产生100KHz的方波信号。

方波信号可通过555或者谐振电路产生，但是555产生的方波信号的占空比并不能达到百分之五十，故使用运算放大器设计的谐振电路产生正弦信号，然后经过比较器比较后得到的方波信号应该是比较理想的方案。

1.3显示方式

设计要求将所采集到的数字波形显示出来。

显示波形的方式有很多，显示的方法也有很多，有人通过两路电压及频率的输出送到示波器中输出，有人使用320×240的大屏幕显示，然而本设计中仅需要显示八路信号波形，12864的屏幕大小正好合适，而且示波器的x轴和y轴的匹配比较麻烦，并且在仿真上难以实现，因而本设计的简易逻辑分析仪使用12864显示波形信号，同时显示触发位置。

1.4通道阻抗及多级门限值的设定

题目要求设计输入阻抗大于50K欧姆，故输入前段必须加一级电压跟随器，或者使用类似运放开环输入式的电路才能够实现高阻抗。

此外题目要求逻辑信号门限电压在0.4V到4V内16级可调，因而逻辑信号在送入单片机之前必须经过电平匹配，最方便的方法是使用比较器将输入信号比较出5V电压，只要改变比较电压就可以实现多级电压匹配了。

比较电压的改变可以通过各种方法实现，比如电位器，数模转换器，电阻网络等。

电位器的实现方法和设计要求略有不符，电阻网络制作和使用起来都比较不方便，因而本设计采用数模转换器实现比较电压的改变。

2具体方案实现及仿真

2.1硬件实现及仿真

2.1.1整体硬件结构框图

显示模块

图1硬件整体结构框图

矩阵键盘用于控制单片机对数模的输出即设置门限电压，并设计触发方式：

一级触发，二级触发，三级触发。

由100KHz的信号发生器产生的正弦信号经过比较器后送入八路移位寄存器，输出即为八路移位信号，经过门限比较后送入单片机进行处理，当触发条件满足后送显示器显示。

2.1.2八路信号发生器模块

八路信号发生器模块电路图如图所示：

图2八路信号发生器电路原理图图

可以看到，该模块主要分为两个部分，第一部分使用运算放大器组成振荡电路产生100kHz的正弦信号，谐振电阻和电容值计算公式如下：

然后让输出的正弦波通过比较器使其输出方波信号。

第二个部分为移位寄存器部分，可使用八个开关预置发生信号的值，通过此移位寄存器后输出为八路移位信号。

2.1.3电压匹配模块

电压匹配模块的电路原理图如图所示：

图3电压匹配模块电路原理图

此模块接收信号发生器产生的八路移位信号并送入相应的比较器部分使其输出符合数字电路3.3V的要求。

而比较器的比较电压由模数转换器的输出决定，为实现0.25V到4V的16级门限电压，模数转换器的输出间隔为：

，因而对于相应的八位数模转换器的数字量间隔为：

。

2.1.4矩阵键盘及单片机模块

模块原理图如图所示：

图4矩阵键盘及单片机模块电路图

该模块使用12个按键实现键盘功能，键盘的扫描使用内部编程方式，为了简化程序，该键盘仅在程序运行之初可以设置，当设计完毕后键盘即取消去作用。

2.1.5显示模块

具体电路如图11所示：

图5单片机与显示模块

此12864液晶内部不带有字库，写入数据后以竖直方式显示，因此可显示128×8个数据，正好用于显示八路信号，每路信号可以显示128个点，每次采集完1K的数据后便在液晶上显示。

如果用户需要放大，则按下暂停键后左右山下翻动就可以实现放大，左右键可以实现移动。

2.2软件组成

2.2.1主程序软件设计

图6主程序流程图

主程序中首先完成逻辑分析仪的设置，然后根据设置完成各种变量的切换。

中断中完成对数据的采集工作，只有当满足触发条件的时候数据才会不断送入存储器当中，因而只要存储器存满就可以刷新屏幕了。

2.2.2按键触摸模块软件设计

作用是输出1s定时信号，定时结束时可以读取数据。

图7按键处理流程图

本设计中的按键处理模块使用的是状态机的操作思想来完成单按键多功能的（当然每种功能的时候都会有界面提示）。

初始界面不同则按键选择进入不同的状态，然后再在每个状态中进行按键操作的处理，并且当需要进行其它设置的时候，还可以跳转到其他的状态。

2.2.3中断模块软件设计

图8中断流程图

该中断用于处理采样时钟上升沿到来后的触发及存储问题的。

首先判断是否开始存储，如果已经开始则跳过判断触发的程序，执行存储，一直到将存储器利用完，这是将在主程序中触发显示模块跟新显示。

如果没有开始存储则执行触发条件判断模块，只有当触发条件满足的时候才会开始存储。

3仿真结果及分析

3.1八路信号发生器仿真

八路信号发生器电路产生的信号使用proteus中自带的逻辑分析仪查看的结果如下图所示：

图9信号发生器仿真结果图

该八路信号的产生是由其初始信号“10100000”通过移位寄存器而产生的，由图中可以看出，下面的信号依次为上一个的移位的结果。

3.2触发捕获信号仿真

经过一级触发信号“10100000”触发后接收到的信号仿真波形为：

图10逻辑分析仪仿真波形图

通过实验仿真，多级触发的效果也是可以的，可以完美地再现波形。

三级触发所得的仿真波形为：

图11三级触发仿真效果图

3.3多级逻辑门限设定仿真测试

表1逻辑门限电压设定测试表

门限电压/V

0.25

0.484

0.719

0.953

1.188

1.422

1.656

1.89

有效电压/V

0.263

0.492

0.723

1.01

1.197

1.433

1.772

1.902

误差/%

5.2%

1.6%

0.6%

6%

0.8%

0.8%

6.9%

0.6%

门限电压/V

2.125

2.36

2.593

2.828

3.063

3.297

3.531

3.767

有效电压/V

2.2

2.365

2.674

2.893

3.114

3.302

3.601

3.784

误差/%

3.5%

0.2%

3.1%

2.3%

1.7%

0.1%

1.9%

0.5%

由表中可以看出比较器发生逻辑跳变的有效电压与逻辑比较电压之差很小，基本维持在4%附近，平均值小于5%。

因而是符合设计要求的。

参考文献

[1]甘学稳．集成电路原理与设计．北京：

北京大学出版社，2006.2．

[2]谢凯，赵建．Msp430系列单片机系统设计与实践．北京：

机械工业出版社，2009.1．

[3]洪利，章杨．MSP430单片机原理与应用实例详解．北京：

北京航空航天大学出版社，2010.7．

[4]康华光．模拟电子技术基础．武汉：

高等教育出版社，2005.7．

[5]舒庆莹，凌玲．模拟电子技术基础实验．武汉：

武汉理工大学出版社，2008.2．

[6]虞西清.专用集成电路设计实用教程.浙江:

浙江大学出版社，2007.1．

[7]谢自美.电子线路设计.第三版.武汉:

华中科技大学出版社，2006.2．

[8]万嘉若，林康运.电子线路基础.上海:

高等教育出版社，2007.4．

小结

本设计采用msp430f249单片机实现对界面设置，门限电平设置已经信号采集的功能，不仅可以节约成本，而且在电路设计上也简化了许多。

当然本设计还有很多需要改进的地方，比如信号未经过滤波，采样速率不高等。

此单片机的理论最大采样速度100k应该是不成问题的，但是那样的话将要求很大的存储器，所以该单片机无法完成，外加fifo也话就可以很显著地提高采样速率了。

本设计未曾采用，主要有两个原因，一是加入fifo的确使得硬件电路复杂化，软件也复杂化了；二是proteus中最大的fifo也仅仅16×4位，根本无法完成存储的能力，所以本设计只是用单片机内部的2k大小的RAM，不过已完成题目所要求的程度了。

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

男

专业、班级

课程设计题目：

基于单片机的逻辑采集电路设计

课程设计答辩或质疑记录：

问：

不同类型的逻辑信号是如何匹配的？

答：

无论何种逻辑信号都有一个确定的门限值，这个门限值随着不同的数字信号类型而不同。

本设计采用比较器的方式来确定不同的逻辑信号。

比较器的反向比较端接有一个电位器，它可以控制比较的门限电压，从而获取不同类型的逻辑信号。

问：

设计中仿真用的软件是什么类型，为什么要用这个软件。

答：

本设计中仿真使用的是Proteus，这个软件属于电路设计与仿真以及版图制作多合一的软件。

该软件中包含了很多集成电路（多数是数字集成电路）可供仿真和电路设计。

因而此软件对于数字集成电路的设计和仿真是非常强大的。

本设计中仅仅信号采集部分涉及到模拟电路，其他部分主要都是数字集成电路的应用，因而恰巧使用此软件的优势完成设计。

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日