采用CPLD的水下冲击波记录仪的应用设计

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3.2　功耗低,集成度高

图2中电源管理电路中的电源芯片主要包括MAX1658、MAX1659和MAX1616，它们的共同点就是都有一个SHDN输入端，当SHDN端为低电平时，无论电压输入端输入多大电压，输出电压均为0V，而只有当SHDN端为高电平，输入端接入合适电压时，输出端才能产生相应的电压值供系统正常工作。由于装置最终工作在水下，需要电池供电，这就要求电路必须低功耗。

记录仪工作时共有5个状态：低功耗延时设置待上电状态、低功耗待触发状态、数据记录状态、数据保持状态、读出数据状态。状态的转换是在中心控制模块的控制之下完成的。系统自带了一个数据保持电源，因此不用时系统处于数据保持状态。主控模块上电以后，通过四路拨码开关设置延时时间，延时时间到了之后其它模块自动上电，处于待触发状态，准备对数据进行采集。随着触发信号的到来，系统状态被转换至数据记录状态，记录完毕后，系统进入低功耗数据保持状态等待被回收。取回装置后，读数时系统转换为读出数据状态，读数结束后系统又处于数据保持状态，等待下一次记录。这样系统每记录一次，其对应的状态就要循环一次。在系统工作的不同阶段，我们可以通过CPLD内部数字逻辑来控制各个电源芯片的SHDN输入端，让必须工作的芯片的SHDN输入端置高，不需要工作的芯片的SHDN输入端置低，从而实现了低功耗。

Xilinx器件的集成度范围可达300～250000可用门,可以很容易地集成现有逻辑功能, 无论这些逻辑是由多个离散逻辑器件、多个PLD或是FPGA组成的,还是由几个定制的器件组成的。在系统设计中,集成度提高意味着设备规模减小,元器件数量减小,而元器件数量减小就必然降低功耗,特别是嵌入式阵列块(EAB)的使用,可以把存储器集成到CPLD芯片中,特别有利于芯片上系统的设计,降低了系统的成本,设备功耗,而且能够提高系统的性能和可靠性。

3.3　低成本，高可靠性

采用CPLD器件来进行电路设计, 可以大幅度地减少印制板的面积、焊点和接插件, 降低装配和调试费用。大量的分立器件在进行印制板电装时, 往往会发生由于虚焊或接触不良而造成故障, 并且这种故障常常难以发现, 给调试和维修带来极大的困难。因此,采用CPLD 器件后, 由于集成度提高, 元器件数量减少, 印制板数量减少, 因而分机组合减少, 降低设备的综合成本, 使得设备的可靠性大大提高。

4　设计过程

Xilinx公司的CPLD开发工具ISE，支持多种输入方式，给设计开发提供了极大的方便，因此本系统采用ISE进行设计。它可以便捷地完成设计输入、编辑、与校验工具连接,设计人员可以使用标准的EDA设计输入工具来建立逻辑设计,使用ISE编译器对XCR3256器件进行编译,其设计流程如图3。

4.1　设计输入

设计输入方式有原理图输入,硬件描述(HDL)语言输入,波形输入等多种方式。记录仪电路的各个功能块: 单向总线缓冲器的产生, A/D时钟信号、写信号及片选信号的产生,地址发生器的产生，读、写命令及数据的传输控制，对读数时钟的消抖等都是采用硬件描述语言(VHDL)来实现的,最后采用原理图输入把各个功能块连接在一起。采用语言描述的优点是效率较高, 结果也较容易仿真, 信号观察较方便。

4.2　设计处理

分别在设计文件中读取信息并产生编程文件和仿真文件及自动错误定位, 设计规则检查以及各器件划分,编译器还能实现用户指定的定时要求,例如:传播延时(tPD),时钟频率(f osc)等。

　　图3　设计流程

4.3　设计仿真

当设计完成后, 设计者可以通过仿真来验证设计电路的特性是否和设计目的相一致, 这里是通过时序模拟来测试逻辑功能及器件最差情况下时间关系。通过仿真结果可以很直观地观察到结果是否符合设计要求。

4.4　器件编程

完成设计输入和时序仿真操作后,最后一步就是对XCR3256器件进行编程,用计算机通过Xilinx专用编程电缆进行配置,编译生成的配置文件经计算机并行通信口接到Xilinx专用编程电缆上,再接到器件的编程接口,利用ISE开发系统提供的编程软件即可对器件进行配置。这种方法的优点是配置方便、迅速,便于修改。这非常有利于电路的调试, 电路调试时经常需要对电路设计划分来逐步调试。通过更改设计,可以对器件重新编程, 容易完成电路调试。

5　结束语

本文中介绍的水下冲击波记录仪主要用于测试水下爆炸时产生的冲击波的强弱, 采用CPLD器件进行设计,大大提高了系统设计的灵活性,提高了系统的可靠性和集成度,缩短了产品研制的周期,同时还可以降低设计成本,节省PCB板的面积和布线难度，提高了设备可靠性，得到了满意的试验结果。