К каждому LAB блоку подсоединяется следующие сигналы:

· 36 сигналов с PIA;

· глобальные сигналы управления регистрами.

3.4 Описание макроячейки

Каждая макроячейка может быть индивидуально сконфигурирована для каждой или группы логических операций. Макроячейка состоит из трех функциональных блоков:

· Матрица выборов терма (Product-Term Select Matrix)

· Программируемая матрица И

· Программируемый выходной регистр

Приведем структурную схему макроячейки серии MAX7000S на рис. 3.2

Рис. 3.2 Схему макроячейки серии MAX7000S

Комбинаторная логика реализуется в макроячейке с помощью логической матрицы И, формирующей пять коньюктивных термов. Матрица выбора термов распределяет термы на входы элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ реализующих логическую функцию входных переменных.

Матрица выбора термов обеспечивает распределение термов на входы управления выходным регистром макроячейки: сигналом синхронизации (clock), разрешение синхронизации (clock enable), обнуления (clear) и предустановки (preset).

Каждая макроячейка может индивидуально программироваться для реализации D-, T-, JK-, или SR-триггера с программируемым режимом синхронизации.

Каждый программируемый регистр имеет 3 режима синхронизации:

· Глобальным тактовым сигналом Global clock (наибольшее быстродействие по задержке “синхросигнал-выход”, clock-to-output)

· Глобальным тактовым сигналом Global clock c разрешением сигнала Enable высокого активного уровня. Обеспечивает разрешение синхронизации каждого триггера при высоком быстродействии по задержке “синхросигнал-выход”, clock-to-output).

· Управляющим сигналом терма макроячейки или вывода ПЛИС

В серии МАХ7000S имеются 2 глобальных тактовых сигнала GCLK1 и GCLK2. Как видно из рис.2 синхронизация может осуществляться непосредственно GCLK1 и GCLK2, а также синхросигналом, сформированным из двух сигналов GCLK1 и GCLK2. Каждый регистр также имеет асинхронный режим предустановки preset и обнуления clear.

Каждый регистр может быть отдельно сброшен активным низким уровнем на выводе глобального сброса (GCLRn). По включению питания все регистры сброшены в 0.

Большинство логических функций может быть реализовано с помощью пяти коньюктивных термов, формируемых в макроячейке. Это обеспечивается наличием в каждой макроячейке логических расширителей:

· Общего разделяемого расширителя (sharable expander)

· Параллельного расширителя (parallel expander)

Эти расширители обеспечивают синтезирование заданных логических функций при минимальном использовании ресурсов ПЛИС и максимальном быстродействии.

Каждый LAB блок имеет 16 разделяемых расширителей, которые собирают свободные коньюктивные термы (по одному от каждой макроячейки), инвертируют их и подают обратно в логическую матрицу И.

Параллельные расширители используют свободные конъюнктивные термы соседних макроячеек для реализации сложных логических функций с максимальным быстродействием. При использовании параллельных расширителей на входы элемента ИЛИ макроячейки может быть подано до 20 термов (5 термов макроячейки и 15 от соседних).

3.5 Программируемая матрица соединений

Программируемая матрица соединений (PIA) обеспечивает разводку логических сигналов между блоками LAB. PIA это общая шина реализующая программируемый маршрут соединения любого места кристалла с любым источником сигнала. К PIA подключаются выводы всех макроячеек и все выводы микросхемы. Подключение сигналов PIA к LAB показано на рис.2.3. Сигнал PIA подключаемый к LAB выбирается с помощью 2-х входового элемента И, на одном из входов которого формируется с помощью EEPROM.



Рис. 3.3 Подключение сигналов PIA к LAB

3.6 Блок контроля выводов I/O

Блок контроля выводов I/O позволяет каждый пин I/O индивидуально сконфигурировать как вход, выход или альтернативный. Каждый имеет трехстабильный буфер, который индивидуально управляется одним из сигналов глобального разрешения или напрямую на GND или Vcc. Блок контроля выводов I/O для серии EPM7064, EPM7032 имеет два глобальных сигнала с активным низким уровнем на пинах (OE1 и OE2).

Когда сигнал управления трехстабильным буфером подключен к земле, вывод находится в третьем состоянии (высоимпедансном). В этом случае вывод может использоваться как специализированный вход (dedicated input) когда к Vcc то в режиме разрешения выхода.

Архитектура серии МАХ7000 позволяет реализовать двухпетлевую обратную связь. При этом петли обратной связи макроячейки и вывода независимы.



Рис 3.4 Блок контроля выводов

Рис.3.5 Конфигурация pin.

3.7 Программирование в системе ISP

ПЛИС семейства МАХ7000 программируются через интерфейс JTAG. Интерфейс JTAG был разработан группой ведущих специалистов по проблемам тестирования электронных компонентов (Joini Action Group). В дальнейшем он был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта IEEE Std 1149.1-1990 (IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture). Он может быть использован для следующих целей:

· тестирования печатных плат

· конфигурирования (программирования) кристалла

· внутрисхемной отладки

Доступ к модулю JTAG осуществляется через четыре вывода ПЛИС, составляющих так называемый «порт тестового доступа» (Test Access Port, TAP): TMS, TCK, TDI и TDO.

Микросхемы могут программироваться в системе ISP через выводы интерфейса JTAG стандарта IEEE Std. 1149.1-1990. Возможность внутрисистемного программирования (ISP) обеспечивает существенное сокращение сроков отладки. В ПЛИС семейства МАХ7000 реализована внутренняя генерация высокого напряжения для программирования ячеек EEPROM, что позволяет программировать при напряжении 3.3 В. В режиме

программирования выводы ПЛИС находятся в третьем состоянии. Программирование микросхем после установки их на плату позволяет также избежать повреждения выводов TQFP.

Микросхемы также позволяют проводить периферийное сканирование (BST). Список JTAG инструкций приведен в Табл. 3.16

Табл. 3.16 Список JTAG инструкций



Если интерфейс JTAG не требуется, то JTAG выводы используются как I/O общего назначения.

3.8 Описание САПР Quartus II

При работе с микросхемами программируемой логики основным инструментом является САПР. Фирма Altera предлагает два САПР MAX+PLUS II и Quartus II. Каждый САПР поддерживает все этапы проектирования: Ввод проекта, Компиляция, Верификация и Программирование. Каждый САПР имеет Tutorial (Самоучитель), который устанавливается при инсталляции пакета. Tutorial состоит из занятий, в ходе которых проходится весь цикл проектирования от ввода проекта до программирования микросхем. При инсталляции также устанавливаются файлы, описывающие проект так, что в ходе изучения Tutorial можно пропускать отдельные занятия и использовать готовые файлы. Например, можно пропустить "Ввод проекта" и перейти к "Компиляции" проекта, используя готовые файлы.

САПР MAX+PLUS II является более простым в освоении по сравнению с Quartus II. Он поддерживает семейства MAX, FLEX и ACEX, которые содержат микросхемы с 5В питанием и количеством функциональных преобразователей от 32 до 4992, и имеет меньшее количество настроек. Этот САПР фирма Altera не развивает и рекомендует переходить на Quartus II.

САПР Quartus II является основным. Фирма Altera активно его развивает. Он поддерживает все новые семейства микросхем и обладает особенностями, которых нет в MAX+PLUS II.

Табл. 3.17 Семейства микросхем, поддерживаемых различными САПР фирмы Altera

3.9 Основные этапы проектирования СБИС ПЛ

Основные этапы проектирования СБИС ПЛ:

1. Техническое задание

2. Ввод описания проекта (поведенческое или структурное)

3. Моделирование (функциональное)

4. Синтез:

· Преобразование описания проекта в схему на заданной элементной базе

· Оптимизация схемы с учетом ограничений по быстродействию и занимаемой площади ПЛИС

5. Разводка и размещение внутренних ресурсов ПЛИС с учетом наложенных ограничений по быстродействию и занимаемые ресурсы

6. Временной анализ - проверка соответствия созданной ПЛИС условиям быстродействия ТЗ

7. Моделирование на вентильном уровне

· Временное моделирование

· Конечная проверка правильности функционирования

8. Тестирование и отладка ПЛИС в составе системы (ISP, JTAG, Signal tap)

Основные возможности пакета Quartus II v.4.1:

· Различные способы ввода поведенческих структурных описаний проекта

· Интегрированные средства помощи для создания сложных проектов Mega Wizard & SOPC

· Система синтеза

· Система размещения внутренних ресурсов и разводки ПЛИС

· Система моделирования

· Система временного анализа и анализа потребляемой энергии

· Система программирования ПЛИС

· Средства оптимизации быстродействия LogicLock

· Система интеграции с другими САПР

· Система проектирования блоков Цифровой обработки сигналов(DSP)

· Интегрированные средства разработки ПО для микро-ЭВМ

· Поддержка использования IP-модулей

· Поддержка ОС - Windows, Solaris, HPUS, Linux

Способы ввода описания проекта:

· В рамках пакета Quartus

ь Текстовый ввод (VHDL, AHDL, Verilog)

ь Редактор памяти (Hex, Mif)

ь Схемный ввод

· Возможность ввода проекта в других САПР (EDIF, HDL, VQM)

· Возможность использования мегафункций и IP- модулей

· Смешанный способ

Текстовый ввод описания проекта:

· Возможности:

Ш Нумерация линий

Ш Использование заготовок языковых конструкций

Ш Отображение ключевых слов цветом

· Используемые языки

Ш AHDL (Altera Hardware Design Language), расширение *.tdf

Ш VHDL (Verilog Hardware Design Language), расширение *.vhd

Ш Verilog - расширение *.v

Схемный ввод описания проекта:

При схемном вводе описания проекта могут использоваться:

· Простейшие логические элементы

· Параметризируемые модули

· Мега-функции Altera

· Ранее созданные компоненты (тестовым и др. способами)

3.10 Создание нового проекта (схемным вводом)

Открыв пакет Quartus II выбираем из меню File пункт New Project Wizard… - мастер создания новых проектов. В открывшемся окне нажимаем кнопку Next и попадаем в окно для задания текущей директории проекта. Заполняем три строки как показано на Рис. 3.5 и нажимаем кнопку Finish и подтверждаем создание проекта.



Рис. 3.5 Меню задания текущей директории проекта

В данном случае текущий проект будет назван Work и будет создана директория по адресу D:/altera/qdesigns41/Condition/work.

Создание нового файла

После создания нового проекта произведем создание нового файла проекта. Меню File пункт New… в открывшемся диалоговом окне Рис.2 выберем тип создаваемого файла.

Рис. 3.6 Меню выбора типа файла проекта

На закладке Device Design File:

AHDL File - файл с описанием проекта на языке AHDL, Block Diagram/Schematic File - описание проекта в виде блок-диаграмм, EDIF File - файл Electronic Design Interchange Format, Verilog HDL File - файл с описанием на языке Verilog, VHDL File - файл с описанием на языке VHDL.

Выберем пункт Block Diagram/Schematic File и нажмем OK. На рабочей панели Quartus II откроется окно с файлом Block1.bdf в котором и создадим наш проект.

Создание схемы

После создания файла проекта становится активной панель инструментов расположенная слева от рабочей области файла и представленная на Рис.3. В панели инструментов представлены средства для создания проекта. Инструмент Symbol Tool изображен на Рис.3 в верхнем правом углу, нажмем на его иконке левым щелчком мыши, в результате нам откроется Symbol Рис.3.4. В левом верхнем углу представлен список стандартных библиотек Quartus II, с основными типами элементов, применяемых на практике.

Рис. 3.7 Ввод символов в схему.

Как показано на Рис. 3.7 из библиотеки выберем primitives/pin/input для задания входных пинов. Изображение компонента индицируется в правом окне. Нажмем кнопку OK, и приступим к непосредственному расположению выбранного компонента.

Рис. 3.8 Меню Symbol

После расположения достаточного количества выбранных компонент в рабочей области файла Block1.bdf нажмем правую кнопку мыши и из появившегося контекстного меню выберем пункт Cancel, отменив дальнейший ввод компоненты. Повторно воспользовавшись инструментом Symbol Tool установим кроме компоненты входа input, компоненту выхода output, и, например, компоненту двухвходовое И (and2) из библиотеки primitives/logic/and2. Наименования компонент можно напрямую указывать в строке Name, например указание имени output приведет к непосредственному появлению в рабочей области компонента выхода.

Произведя установку требуемого числа элементов произведем соединение входов и выходов компонент, пометив курсор мыши на один из входов элемента 2-И, зажмем левую кнопку мыши и соединим и выходным концом элемента входа.



Рис. 3.9 Шины, цепи, каналы связи

Проделаем аналогичную операцию для всей схемы и получим схему приведенную на Рис.3.10

Рис. 3.10 Схема текущего проекта

Переименуем элементы. Для этого произведем вначале двойной щелчок левой кнопкой мыши по одному из элементов input. В результате откроется окно изображенное на Рис.3.7 представляющее свойства выбранного пина. В закладке General содержимое строки Pin name(s) изменим на A, таким образом присвоив имя A первому пину. Строка Default value представляет собой значение логического сигнала на пине по умолчанию, в данном случае Vcc т.е. пин «подтянут» на плюс питания. Возможно изменить значение по умолчанию на GND или ноль.



Рис. 3.11 Свойства пина

Подобным образом изменим имя второго входного пина на B, а выходного на C. Изменения имени сразу же будут проиндицированы на схеме.

Компиляция проекта

Перед осуществлением компиляции произведем выбор типа кристалла. Для этого выбираем пункт Device… из меню Assignments.

В открывшемся окне в строке Family выберем семейство MAX7000S, а в окне Available Devices выберем конкретное устройство, например, EPM7064SLC44-10. Нажатием кнопки OK подтвердим выбор кристалла.

Для запуска процесса компиляции выберем пункт Start Compilation из меню Processing. Подтвердим сохранение текущего файла и ожидаем окончания процесса компиляции.

По окончании компиляции появляется окно с сообщением о результатах компиляции и количестве ошибок и предупреждений.

В появившемся на рабочей панели окне Compilation Report Рис.3.8 выберем из меню Fitter пункт Floorplan View.



Рис. 3.12 Окно Compilation Report

Окно Floorplan View приведено на Рис. 3.13 и представляет собой проект размещенный внутри кристалла.

Редактор топологии проекта позволяет:

· Осуществлять текущие значения (Current Asignments)

· Отображать результаты последней компиляции (Last Compilation)

· Оптимизировать временные параметры (Timing Closure)

Рис. 3.13 Окно Floorplan View

На Рис. 3.13 представлено внутреннее содержимое выбранного нами кристалла EPM7064SLC44-10 - 4-ре макроблока, обозначенных A, B, C, D соответственно, каждый из макроблоков содержит по 16 макроячеек. Пины кристалла, а также макроячейки, использованные в проекте обозначены цветом. Можно заметить, что компилятор сам выбрал используемые макроячейки и, что особенно важно, сам выбрал используемые пины кристалла, т.е. ножки микросхемы, что в ряде случаев является неприемлемым.

Для задания конкретных пинов микросхемы, которые будут использованы в проекте обратимся к меню Assignments пункту Pins. В открывшемся окне обратимся к самому нижнему меню представленному на Рис. 3.14

Рис. 3.14 Меню для задания пинов

Произведем двойной щелчок левой кнопкой мыши по выделенному на Рис. 3.14 полю, всплывшее меню позволяет выбрать один из пинов использованных в проекте, теперь произведя двойной щелчок левой кнопкой мыши по полю находящемуся справа, выберем из списка пинов микросхемы требуемые. Сопоставим, например A - PIN_4, B - PIN_4, C - PIN_4. Далее необходимо подтвердить установки сохранением и вновь произвести компиляцию проекта.

Обратим внимание, что теперь схема будет выглядеть как представленная на Рис.3.15.



Рис.3.15. Схема проекта после установления «распиновки»

Более широко можно распределить выводы с помощью меню Assignment Editor (назначение выводов) на Рис.3.16:

· Для каждого вывода можно вывести столбцы с заданными временными параметрами

· Позволяет включить/выключить изображение каждого банка ввода/вывода своим цветом

Основные опции можно установить в следующем меню на Рис.3.16:

Рис.3.16 Меню Assignment Editor

Также выводы можно переназначит с помощью редактора разводки ПЛИС на Рис. 3.17 Следует просто перетащить вывод из системы поиска узлов Node Finder в редактор разводки ПЛИС (Floorplan).

Рис. 3.17 Меню “Floorplan”

Рис. 3.18 Задание опций схемного редактора

Проведение временной симуляции

В пакет Quartus встроен статический временной анализатор со следующими возможностями:

· Временной анализ однотактной синхронизации

Ш Fmax - максимальная тактовая частота

Ш Tsu - время предустановки (setup time)

Ш Th - время удержания (hold time)

Ш Tco - задержка тактовая частота-выход (clock-to-out-time)

· Временной анализ многотактной синхронизации

Ш При наличии нескольких синхросигналов

Ш Используется принцип временных зазоров (Slack analysis)

Временной анализ осуществляется автоматически после компиляции.

Иногда для начала симуляции требуется задать файл временных диаграмм процедурой, изображенной на Рис. 3.19

Рис. 3.19 Задание файл временных диаграмм

Для проведения симуляции зададим вектор входных сигналов меню Processing/Simulation Debug пункт Current Vector Inputs. Попадаем в окно симуляции представленное на Рис.3.20

Рис.3.20 Окно симуляции

Нам предстоит загрузить список входов и выходов для которых затем произведем симуляцию. Для этого произведем двойной щелчок в левом свободном левом поле. Появляется окно Insert Node Bus в котором нажимаем кнопку Node Finder… В окне Node Finder в строке Filter выбираем раздел Pins:input и нажимаем кнопку List. Видим, что в окне Nodes Found: появился список входных пинов, который мы при помощи кнопки >> перегружаем в окно Selected Nodes:, нажимаем OK. И подтверждаем выбор нажатием OK в окне Insert Node Bus. Установка выходных пинов производится точно так же вызовом окна Insert Node Bus, только параметр Type необходимо в нем заменить на OUTPUT. И в строке Filter окна Node Finder выбираем раздел Pins:output.

В результате проделанных операций получим окно симуляции изображенное на Рис. 3.21

Рис. 3.21 Окно симуляции после задания вектора сигналов

Выделяя необходимые сигналы на требуемом интервале времени, при помощи нажатия и удержания левой кнопки мыши, задаем на данном интервале необходимые логические уровни из меню сигналов, расположенного непосредственно над выделяемой областью.

После задания всех уровней сигналов выбираем пункт Start Simulation из меню Processing и ожидаем результатов симуляции, представленных, например, на Рис. 3.22

Рис. 3.22 Результат симуляции

Преобразование блок-диаграмм в VHDL файл

Для осуществления преобразования файла блок-диаграмм в VHDL файл выберем из меню File Create/Update пункт Create HDL Design File for Current File.

Рис. 3.23 Меню выбора HDL Design File

Открывшееся окно Рис. 3.23 предлагает выбрать тип создаваемого HDL файла. Оставив выбранным пункт VHDL, нажмем OK. Через некоторое время появляется сообщение о выполнении операции создания файла. Откроем созданный файл из меню File Open…, для нашего проекта VHDL файл по умолчанию будет назван work.vhd. За строками комментариев находим VHDL описание ранее созданного проекта.

3.11 Изменение установок проекта

Для изменения текущих настроек проекта используем контекстное меню либо меню-Assignments изображенное на Рис. 3.24:

Рис. 3.24 Изменение установок проекта

3.12 Компиляция проекта

Доступны следующие режимы компиляции из меню Processing-Start изображенного на Рис. 3.25:

· Полная компиляция (Start compilation), включая сборку ПЛИС

· Start Analysis & Elaboration - проверка синтаксиса и построение базы данных объекта компиляции

· Start Analysis & Syntesis - проверка синтаксиса и построение базы данных, синтез, оценка быстродействия объекта компиляции

· Start Timing Analysis - только оценка быстродействия

· Start Design Assistant - запуск помощника в проектировании

· Start Signal Probe - запуск компиляции в режиме “пробы”

· Stop - остановка компиляции



Рис. 3.25 Меню Processing-Start

3.13 Программирование в среде Quartus II v.4.1

ПЛИС семейства МАХ7000 программируются через интерфейс JTAG. Интерфейс JTAG был разработан группой ведущих специалистов по проблемам тестирования электронных компонентов (Joini Action Group). В дальнейшем он был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта IEEE Std 1149.1-1990 (IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture). Он может быть использован для следующих целей:

· тестирования печатных плат

· конфигурирования (программирования) кристалла

· внутрисхемной отладки

Доступ к модулю JTAG осуществляется через четыре вывода ПЛИС, составляющих так называемый «порт тестового доступа» (Test Access Port, TAP): TMS, TCK, TDI и TDO.

Для доступа к меню программирования выберем Tools-Programmer (или значок на панели инструментов). Окно параметров программирования Рис.3.26 выберем файл проекта для прошивки *.pof , режим программирования (Mode) выберем JTAG, слева на панели находятся управляющие кнопки. Для начала программирования следует задать параметры:

· Program/Configure - запись программы и конфигурации

· Verify - с проверкой результата

· Security bit - установка бита зашиты

Рис. 3.26 Окно параметров программирования

В меню Hardware Setup Рис. 3.27 выбирается тип устройства программирования Byteblaster, на порту LPT.

Рис. 3.27 Тип устройства программирования.

Далее Start и в окне Progress наблюдаем за процессом программирования.

3.14 ByteBlasterMV устройство загрузки конфигурации ПЛИС фирмы Altera

Общая характеристика:

1. Устройство ByteBlasterMV служит для загрузки конфигурации в ПЛИС Altera через параллельный порт персонального компьютера (см. рис.4.1).

Устройство ByteBlasterMV обеспечивает конфигурирование ПЛИС с различным напряжением питания (VCC 3.3 В или 5.0 В), на что указывают буквы MV - Multi Volt.

Обеспечивает программирование семейств, выполненных по технологии EEPROM: MAX 9000, MAX 7000S, MAX 7000A, MAX 3000A

Обеспечивает конфигурирование семейств, выполненных по технологии SRAM: APEX 20K, FLEX 10K (включая FLEX 10KA и FLEX 10KE), FLEX 8000 и FLEX 6000

2. Режимы загрузки конфигурации

Устройство ByteBlasterMV обеспечивает следующие режимы загрузки конфигурации:

PS-режим (пассивный последовательный режим [PS - Passive Serial]) - используется для конфигурации микросхем семейств APEX 20K, FLEX 10K, FLEX 8000 и FLEX 6000.

JTAG-режим - используется для программирования или конфигурирования микросхем семейств APEX 20K, FLEX 10K, MAX 9000, MAX 7000S, MAX 7000A, MAX 3000A.



Рис. 3.28. Подключение устройства ByteBlasterMV

3. Для подключения к параллельному порту персонального компьютера используется 25-контактный разъем. Для подключения загрузочного кабеля к конфигурируемой плате используется 10-контактный разъем. Для конфигурирования 2,5-вольтовых микросхем семейств APEX 20K, FLEX 10K резисторы (1) и контакт VCC (см. рис.4.2) подключают к напряже-нию питания 3,3 В, а контакт VCCINT - к напряжению питания 2,5 В.

В PS-режиме на контакт VCCIO устройства должно быть подано напряжение 2,5 или 3,3 В, а на контакт VCC - 3,3 В.

В JTAG-режиме на контакт VCCIO должно быть подано напряжение источника питания 2,5 В или 3,3 В.

Устройство ByteBlasterMV соединяется с параллельным портом персонального компьютера при помощи стандартного 25-контактного разъема. Контакты разъема описаны в табл. 3.17.

Табл. 3.17 . Контакты разъема параллельного порта

Рис. 3.29 Электрическая схема устройства ByteBlasterMV

Напряжение питания VCC и земли GND подаются на устройство к ByteBlasterMV от конфигурируемой платы.

Для подключения загрузочного кабеля к конфигурируемой плате используется двухрядный 10-контактный штыревой разъем (см. рис.4.4).

Контакты разъема должны быть соединены с конфигурационными выводами микросхем. Через этот разъем подается питание от конфигурируемой платы на устройство ByteBlasterMV.

Подключение устройства к программатору:

Рис. 3.30. Подключение устройства к программатору

Основные понятия:

· BST - Boundary Scan Test (тестовое периферийное сканирование цифровых устройств).

· FLEX - Flexible Logic Element Matrix (матрица элементов гибкой логики).

· JTAG - Joint Test Action Group (объединенная группа по вопросам тестирования цифровых схем).

· MAX - Multiple Array Matrix (матрица множественных массивов логических элементов).

· PROM - Programmable Read Only Memory (программируемое ПЗУ).

· TAP - Test Access Port (порт тестирования JTAG).

· TCK - Test Clock (тактовый вход JTAG).

· TDI - Test Data Input (вход тестовых данных JTAG).

· TDO - Test Data Output (выход тестовых данных JTAG).

· TMS - Test Machine State Control (управление конечным автоматом JTA).

· ПЗУ - постоянное запоминающее устройство.

· ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема.

3.15 Принцип построение питания

Можно бесконечно говорить, о том, как программировать печатные платы ПЛИС, собирать или проектировать. Но обязательным условием работы является питание. Рассмотрим подробнее условия и основные правила построения питания.

В качестве элементной базы для построения систем питания рассмотрены компоненты фирмы Semtech. Для этих целей компания выпускает широкий спектр интегральных схем (ИС) с уникальными характеристиками, как линейных, так и импульсных. Таким образом, с помощью только стабилизаторов фирмы Semtech можно полностью решить проблему питания любой системы на основе ПЛИС.

Уникальные требования

Основная функция системы управления питанием ПЛИС ясна: обеспечить ПЛИС и сопряженные с ней схемы стабилизированным напряжением во всех режимах работы в точно установленных пределах изменения нагрузки. Но, как правило, достичь этого не так просто, поскольку необходимо учитывать следующие факторы: изменение температуры окружающей среды и тока нагрузки, флуктуацию входного напряжения. К тому же по потребляемой мощности ПЛИС значительно отличаются от других интегральных схем.

На ПЛИС реализуется неограниченное число всевозможных конфигураций схемы, работающих на разных тактовых частотах и, следовательно, потребляющих разную мощность. А так как исходными данными для проектирования системы питания ПЛИС является

потребляемая мощность, разработчик должен иметь максимально четкое представление о проектируемой системе и условиях ее функционирования. Для этого необходимо определить:

1. тактовую частоту ПЛИС (потребляемая мощность пропорциональна частоте);

2. количество задействованных ресурсов ПЛИС;

3. скорость передачи данных, осуществляемых ПЛИС;

4. наличие конфигурационного перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ);

5. число необходимых питающих напряжений и отдельных источников питания;

6. диапазон рабочих температур.

Кроме того, для построения оптимальной системы питания ПЛИС разработчику предстоит правильно спроектировать топологию печатной платы и заземление всей системы. В общем, данная система питания должна удовлетворять следующим требованиям, которые обсуждаются в примерах применения для ПЛИС:

1. ограничить параметры переходного процесса при включении питания.

Для этого:

a. обеспечить значительный ток (1-2 А) при включении питания,

b. обеспечить монотонность протекания переходного процесса по напряжению питания,

c. время протекания переходного процесса до номинального значения напряжения не должно быть больше определенной величины, указанной в спецификации для конкретного семейства ПЛИС, в зависимости от типа семейства ПЛИС требуется обеспечить определенную последовательность подачи питающих напряжений;

2. максимально снизить уровень высокочастотного шума, неизбежного в цифровых высокоскоростных схемах.

Для этого необходимы:

a. раздельные шины питания для различных основных потребителей тока,

b. установка достаточного количества шунтирующих конденсаторов,

c. корректная разводка печатной платы.

Рис. 3.31 Блок-схема системы питания ПЛИС

В целом структурная схема системы питания ПЛИС состоит из первичного источника питания, формирующего входное напряжение (V_in) для стабилизатора напряжения, схемы, устанавливающей последовательность подачи различных напряжений и по необходимости схемы слежения за уровнями напряжений (супервизор). Следует особо отметить, что одним из ключевых компонентов системы питания ПЛИС является цепочка шунтирующих конденсаторов вокруг ПЛИС. Они позволяют распределить рабочий ток между потребителями, используя низкоимпедансные пути прохождения тока, тем самым снижая уровень высокочастотного шума. Кроме того, к важным моментам относится и правильность разводки печатной платы, особенно земляных полигонов.

Итак, система питания ПЛИС представляет собой набор стабилизаторов, обеспечивающих необходимые уровни питающих напряжений и токов. Поэтому для начала следует определить степень применения ресурсов ПЛИС, а затем оценить потребляемые токи и используемые уровни напряжений. Далее, исходя из семейства и условий работы ПЛИС, выбирают оптимальное решение для системы питания -- тип стабилизатора и конкретную ИС.

3.16 Выбор и обоснование отладочной платы

Рис. 3.32 Принципиальная схема ПЛИС реализованная на отладочной плате

Обычно еще до сборки окончательного варианта устройства, происходит его отладка. Отлавливаются баги в программе, подбираются номиналы деталей итд. Для удобства применяют отладочные платы. На отладочной плате, как правило, размещаются различные кнопки, индикаторы, преобразователи интерфейсов, да и еще куча всего. Тут многое зависит от потребностей разработчика. Кому-то потребуется Ethernet с USB, а кому-то и обычного RS-232 с несколькими светодиодами да парой кнопок за глаза…



Основным элементом является микроконтроллер LPC1343. Кроме микроконтроллера имеется интерфеи?сный? разъем для подключения к порту USB персонального компьютера, служащего для питания отладочной? платы, программирования микроконтроллера и обмена информацией?. Подключение к USB-порту осуществляется соединительным кабелем USB2.0 вилка A - Mini-USB 5P вилка длиной? не более 1,8 м. Для обеспечения работы микроконтроллера имеется стабилизатор напряжения DA1, понижающий? напряжение питания 5В, берущееся с USB-порта до напряжения 3,3В. Кроме того, питание напряжением 3,3В может подаваться с разъемов для подключения SWD-отладчика. Во избежание конфликта, на плате имеется перемычка (джампер) SA2, с помощью которого осуществляется выбор источника питания. Если джампер замыкает контакты 1-2, то питание осуществляется от разъемов для подключения SWD-отладчика. Если замкнуты контакты 2-3, то от порта USB. При этом надо учитывать ограничения по максимальному току потребления от разных источников. Ток потребления отладочной? платы вместе с дополнительной? нагрузкой? (например, мезонинная плата или иным образом подключенные устрои?ства) при питании от разъема для подключения SWD-отладчика не должен превышать 250мА. При питании от USB - не более 500мА.

Имеются несколько разъемов для подключения SWD-отладчика: разъем "папа" IDC-2x10 (стандартныи? разъем SWD, шаг 2,54 мм) XP1, меньшии? по размеру "папа" IDC2x5 (шаг 2,54 мм) XP2 и 8 контактных площадок, расположенных в один ряд (шаг 2,54 мм) XT1, совместимые с несколькими типами SWD-отладчиков (CoLink, CoLinkEx, LPC_Link, предварительно отделенных от LPCXpresso Board for NXP, J-Link и другими). Все 48 выводов микроконтроллера продублированы контактными площадками, расположенными по его периметру в виде квадрата. Их нумерация повторяет нумерацию выводов микроконтроллера. Их назначение - обеспечить удобныи? доступ для подключения щупов осциллографа и прочих измерительных приборов. Кроме того к ним удобно припаивать однорядные разъемы с шагом 2,54мм (серии? PLS или PBS), за счет чего появляется возможность смонтировать этажерочную конструкция, подсоединив к ним ответным разъемом сменную мезонинную плату. Для подключения платы к компьютеру используют платы сопряжения, реализуют их на печатных платах.



Рис. 3.33 Схема платы сопряжения

Г - генератор тактовых импульсов;

Сброс - схема внешнего сброса;

LPT - разъем интерфейса LPT-порта;

JTAG - разъем для загрузки ПЛИС;

FLASH - разъем для подключения памяти FLASH;

БП - блок питания.

4. РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВ ПО ЭКОЛОГИИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

4.1 Классификация опасности и вредностей при эксплуатации БС OFDM

В этой главе будет рассмотрено влияние различных производственных вредностей на организм человека, а также основные пути создания необходимых условий для высокопроизводительного и безопасного труда.

Правильная организация труда значительно повышает его производительность и резко снижает возможность производственных травм, увечий и пр. Это, в свою очередь, оказывает и непосредственное положительное влияние на экономическую сторону труда: происходит снижение на оплату больничных листов и лечения сотрудников, уменьшается количество и размер компенсаций за работу во вредных условиях и пр. По статистическим подсчетам, затраты на необходимые мероприятия и средства для охраны труда и безопасности жизнедеятельности обходятся в десять раз меньше, чем расходы из-за несчастных случаев и т.п.

4.1.1. Эргономика

Автоматизация и компьютеризация систем связи приводят к коренному изменению средств и характера трудовой деятельности, а следовательно, и условий труда. Труд облегчается, оздоровляются его условия, так как он переходит в сферу операторской деятельности, связанной с контролем процесса выполнения нужной задачи.

Однако автоматизация и компьютеризация производства может иметь и определенные отрицательные социальные последствия, так предъявляются повышенные требования к психофизическим возможностям человека-оператора -- он отвечает за эффективность функционирования системы, в том числе и в экстремальных ситуациях. Например, в результате ошибки радиомонтажника при монтаже радиоэлементов на плате получается одна бракованная деталь, ошибка же оператора роботизированной автоматической радиомонтажной линии приведет к браку партии, число плат в которой может быть значительным. Кроме того, для операторской деятельности характерным является снижение двигательной активности в процессе труда, что может повлиять на здоровье работающих.

Цель эргономики -- повышение эффективности и качества деятельности человека в системе «человек -- машина -- предмет деятельности-- среда» при условии сохранения здоровья человека и создании предпосылок для развития личности.

Использование достижений эргономики при создании техники позволяет более эффективно решать задачи охраны труда, так как эргономические решения всегда направлены на ликвидацию или снижение до минимально допустимых уровней опасных и вредных производственных факторов, совершенствование конструкции оборудования с учетом

психофизиологической нагрузки на организм человека, оптимизацию его трудовой деятельности при условии обеспечения требуемой безопасности работающих.

4.1.2 Определение и классификация опасности и вредности при эксплуатации БС

Условия труда -- это совокупность факторов производственной среды, оказывающих влияние на здоровье и работоспособность человека в процессе труда. Условия труда должны исключать предпосылки для возникновения травм и профессиональных заболеваний.

Факторы, составляющие условия труда, обычно делятся на четыре основные группы:

· санитарно-гигиеническая включает показатели, характеризующие производственную среду рабочей зоны. Они зависят от используемого оборудования и технологических процессов, могут быть оценены количественно и нормированы;

· психофизиологические элементы, обусловленные самим процессом труда. Из этой группы только часть факторов может быть оценена количественно;

· эстетические факторы, характеризующие восприятие работающим окружающей обстановки и ее элементов, количественно они оценены быть не могут;

· социально-психологические факторы, характеризующие психологический климат в данном трудовом коллективе, количественно также не оцениваются.

В процессе труда человек подвергается воздействию целого ряда санитарно-гигиенических факторов, которые могут вызвать нежелательные последствия, например повышение или понижение температуры тела, повышение давления.

Для исключения влияния таких факторов организм человека задействует приспособительные реакции, представляющие собой защитный рефлекс организма, который отрицательно воздействует на работу основной функциональной системы человека и приводит к снижению работоспособности.

Спустя какое-то время человек адаптируется к неблагоприятному воздействию санитарно-гигиенических факторов. Это достигается дополнительными затратами мускульной и нервно-психической энергии. С точки зрения основного трудового процесса такое использование внутренних резервов организма является нецелесообразным, так как энергия тратится впустую. Возрастает «цена» проделанной работы, и, как следствие, отражается на настроении и самочувствии работающего.

Состояния внешней среды на рабочем месте характеризуют: комфортное, относительно комфортное, экстремальное , сверхэкстремальное.

Комфортное состояние обеспечивает оптимальные показатели работоспособности, хорошее самочувствие и сохранение здоровья работающего человека; предполагает оптимальные значения санитарно-гигиенических факторов.

Относительно комфортное состояние обеспечивает заданную работоспособность и сохранение здоровья работающего в течение определенного времени, однако вызывает неприятные субъективные ощущения и функциональные изменения, не выходящие за пределы норм. Такое состояние внешней среды обусловлено предельно допустимыми значениями санитарно-гигиенических факторов.

Экстремальное состояние приводит к снижению работоспособности и может вызвать функциональные изменения, выходящие за пределы нормы, но не ведущие к патологическим нарушениям; наступает при предельно переносимых значениях санитарно-гигиенических факторов.

Сверхэкстремальное состояние приводит к возникновению в организме работающего патологических изменений.

4.1.3 Санитарно-гигиенические нормы для рабочего места инженера - проектировщика

Санитарно-гигиенические нормы к рабочим помещениям включают в себя нормы по ряду разделов: микроклимат, освещение, электромагнитное излучение.

Производственные помещения должны соответствовать требованиям действующих строительных, санитарных и других норм и правил устройства электроустановок, технической эксплуатации и т. д.

Микроклимат производственных помещений -- метеорологические условия внутренней среды этих помещений, которые определяются действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности и скорости движения воздуха, а также температуры поверхностей ограждающих конструкций, технологического оборудования и теплового облучения. Показателями, характеризующими микроклимат, являются: температура, относительная влажность и скорость движения воздуха, интенсивность теплового облучения. Обычно микроклимат оценивают в рабочей зоне, представляющей собой пространство высотой до 2 м над уровнем мест постоянного или временного нахождения работников.

Оптимальные микроклиматические условия -- это сочетания параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального теплового состояния организма без напряжения механизмов терморегуляции. Они обеспечивают ощущение теплового комфорта и создают предпосылки для высокого уровня работоспособности.

Микроклимат оценивают сочетанием четырех факторов: температура воздуха t_в, °С; скорость движения воздуха v_в , м/с; относительная влажность, ц, %; радиационная температура излучающих поверхностей t_рад, °С.

Организм человека постоянно находится в состоянии теплообмена с окружающей средой. Вследствие белкового, углеводного и жирового обмена в организме вырабатывается тепло (теплопродукция) Q_т, количество которого зависит от рода деятельности и интенсивности выполняемой работы. Это тепло для спокойного состояния человека составляет 80...100 Вт. Теплопродукция организма отдается в окружающую среду посредством конвекции, излучением тепла и испарением влаги с поверхности кожи. Тепло, передающееся конвекцией, определяется формулой:

Q=б*F*t_т-t_в, (5.1)

где б - коэффициент теплоотдачи, который зависит от скорости движения воздуха, Вт/м²;

F- площадь поверхности тела, м²;

t_т и t_в - температуры тела и окружающего воздуха, соответственно, °С.

Конвективная отдача тепла зависит от скорости движения и температуры воздуха. Отдача тепла излучением Q_изл происходит, если температура тела больше температуры стен. Теплоотдача за счет испарения влаги Q_исп с поверхности кожи зависит от влажности воздуха, а для открытых участков тела еще и от скорости его движения.

Климатические факторы действуют на человека комплексно. Значения для каждого из параметров для комфортной работы инженера-проектировщика:

* температура воздуха 20...25 °С;

* относительная влажность 30.. .60 %;

* скорость движения воздуха для легкой работы 0,2...0,4 м/с.

Создание оптимальных метеорологических условий и производственных помещениях является сложной задачей, решить которую можно за счет применения следующих мероприятий и средств:

· Усовершенствование технологических процессов и оборудования;

· Рациональное размещение технологического оборудования;

· Автоматизация и дистанционное управление технологическими процессами;

· Рациональная вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха;

· Создание воздушных и водовоздушных душей ;

· Рационализация режимов труда и отдыха ;

· Применение, теплоизоляции оборудования и защитных экранов;

· Использование средств индивидуальной защиты.

Для дополнительного ознакомления требований к микроклимату в производственных помещениях можно ознакомиться:

· Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений СанПиН 2.2.4.548-96

· Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны ГОСТ 12.1.005-88

4.2 Требования к безопасности при конструктивных разработках

Правильно разработанный технологический процесс должен обеспечивать выполнение всех требований, указанных в чертеже и техническом задании на изделие, высокую производительность. Исходными данными для проектирования технологического процесса являются: чертежи детали, сборочные чертежи, специализация деталей, монтажные схемы, схемы сборки изделий, типовые технологические операции. Технологический процесс характеризуется единством содержания, и последовательностью большинства типовых технологических операций для группы изделий с общими конструктивными требованиями, разрабатывается с учетом последних достижений науки и техники, опыта передовых производств, что позволяет значительно сократить цикл подготовки производства и повысить производительность за счет применения более совершенных методов производства.

При изготовлении печатных плат широко применяют прогрессивные типовые технологические операции, стандартные технологические оснастки, оборудование, средства механизации и автоматизации производственных процессов, учитывается информация о ранее разработанных технологических процессах, особенностях схемы изделия и типе производства.

Рассмотрим типовой технологический процесс изготовления печатных плат более подробно.

1) Входной контроль (или подготовка материалов) осуществляется строго по ГОСТ и не представляет собой никакой опасности для человека.

2) Нарезка заготовок. Осуществляется специальным станком, управляемым системой Р-CAD. Заготовки из фольгированного диэлектрика отрезают с определенным припуском на сторону. Опасность в данном случа ставляют отходы в виде стружки.

3) Подготовка поверхности фольгированного диэлектрика. В данную операцию входят механическая обработка (это обработка с помощью абразивных материалов) и химическая обработка (это обработка с помощью химикатов). После снятия заусенцев по периметру заготовок и в отверстиях, поверхность фольги защищают на крацевальном станке и обезжиривают химически соляной кислотой в ванне. На этом этапе заготовка очищается от грязи, окислов, жира и др. веществ. Опасность в данном случае представляют отходы в виде мелкой стружки и пары соляной кислоты.

4) Получение рисунка схемы. Данная операция основана на фотохимическом методе получения рисунка. Рисунок схемы внутренних слоев выполняют при помощи сухого фоторезиста, т.к. требуется высокая точность. При этом противоположная сторона платы не должна иметь механических повреждений и подтравливания фольги. В ходе этой операции осуществляется: нанесение фоторезиста, экспонирование (заготовка проходит через мощное УФ излучение, в процессе чего незащищенный слой фоторезиста засвечивается, и полимеризуется) и промывка заготовки в воде (для снятия засвеченного фоторезиста). Опасность в данном случае представляют отходы в виде эпоксидной пластмассы. Кроме того, нахождение человека рядом с установкой УФ излучения также небезопасно.

5) Травление меди с пробельных мест. Данная операция основана на вытравливании незащищенной поверхности фольгированного диэлектрика химическим методом. После травления снимается фоторезист с защищенной поверхности, затем проводится промывка от химикатов и сушка. После всего этого делается контроль. Проверяется протравленность фольги, сверяется с контрольным образцом. Опасность в данном случае представлякгг отходы в виде выделяющихся при травлении вредных веществ, к примеру, соляной кислоты и хлора.

6) Сверление базовых отверстий. Базовые отверстия получают высверливанием на универсальном сверлильно-фрезерном станке, ориентируясь на метки совмещения, расположенные на технологическом поле. Проделываются отверстия для совмещения слоев платы. Опасность в данном случае представляют отходы в виде мелкой стружки.



Рис. 4.1 Разрез печатной платы

7) Прессование слоев. Формируется пакет из трех слоев (их перекладывают складывающимися прокладками из стеклоткани, содержащими термореактивную эпоксидную смолу), которые совмещаются по базовым отверстиям, а затем укладывается в пресс-форму и прессуется. Затем производится сушка всего этого пакета. Прессование осуществляется горячим способом и производится автоматической линией, что обеспечивает полностью автоматизированное прессование. Опасность в данном случае представляют отходы в виде стекловолокна.

8) Операция образования межслойных и монтажных отверстий. Эта операция производиться на универсальных станках. Опасность в данном случае представляют отходы в виде мелкой стружки.

9) Подготовка поверхности перед металлизацией. После образования отверстий требуется очистить плату и края отверстий от заусенцев и прилипших крошек стеклотекстолита. Эта операция производиться ультразвуком. После обезжиривания плату промывают в горячей и холодной воде, а затем сушат. Опасность в данном случае представляют отходы в виде эпоксидных соединений и мелкой стружки. Кроме того, нахождение человека рядом с ультразвуковой установкой также небезопасно.

10) Химическая металлизация отверстий, На поверхность наносится гонкий слой меди. Опасность в данном случае представляют отходы в виде коррозионных веществ, фтористых соединений, тяжелых металлов.

11) Гальваническое осаждение меди. На тонкий слой осаждается медь до нужной толщины. После этого производится контроль на толщину меди и качество ей нанесения. Опасность в данном случае представляют отходы в виде коррозионных веществ, фтористых соединений, тяжелых металлов,

12) Обработка платы по контуру. Эта операция производиться на специализированном станке с насадкой в виде дисковой фрезы по определенному ГОСТ. В этой операции удаляется ненужный стеклотекстолит по краям платы и подгонка до требуемого размера. Опасность в данном случае представляют отходы в виде мелкой стружки,

13) Маркировка. Выполняется методом сеткографии на специальном станке, который требуемым штампом производит оттиск на печатной плате маркировки. Опасность в данном случае представляют отходы в виде растворителей и краски.