摘 要：介绍了FPGA(现场可编程门阵列)器件在8K机车电子插件板自动测试系统中的设计和实现方法，并就FPGA的特点、EDA(电子设计自动化)环境下的设计流程、开发工具的使用等问题进行了深入的讨论。
关键词：FPGA EDA VHDL 自动测试
Application of FPGA in auto-testing system
of electronic card for 8K locomotive
Northern Jiaotong University(Beijing 100044)
He Junping Wang Lide Ling Zejun
Abstract:It is introduced the design and implementation method of FPGA device in auto-testing system of electronic card for 8K locomotive.Further study is made on the characteristics of FPGA,
design flow-process in EDA environment and the use of development tools.
Key words:FPGA,EDA,VHDL,auto-testing.
1 引言
随着VLSI(超大规模集成电路)和EDA(电子设计自动化)技术的飞速发展，特别是FPGA(现场可编程门阵列)器件和第3代框架结构EDA工具的发展，数字系统的设计方式发生了突破性变革。FPGA技术将VLSI的高密度和用户自由编程结合了起来，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，克服了在以往板级设计中因使用中、小规模数字电路所带来的繁琐和不可靠等缺点。它具有现场设计、现场编程、现场配置、现场修改以及现场验证等优点，因而大大提高了单片数字系统设计的实现速度、设计灵活性和可靠性。利用FPGA器件和相应的EDA工具进行数字系统设计的流程如图1所示。这是一种周期短、可靠性高、投资较小的新型数字系统设计方法。对FPGA器件进行开发可以有2种EDA工具选择。一是采用专用半导体厂家的工具，这种方式可以提供高效的设计和综合能力，可支持专用芯片，但设计的可移植性不好。二是采用标准EDA设计平台，尽管设计可能对芯片内部资源利用率不高，但在不同ASIC(专用集成电路)间有可移植性。笔者利用FPGA器件和EDA工具，研制了以FPGA器件和80C196KC微处理器为核心的8K机车辅助电源变流器控制板(RD753、RD754)自动测试系统。该装置选用Xilinx公司第3代现场可编程逻辑芯片XC4010E-PQ208，采用Viewlogic公司Workviewoffice EDA工具进行FPGA的前端设计开发，用Xilinx公司Foundation series M1.4.12 EDA工具进行FPGA的布局布线和物理实现。整个FPGA的设计开发流程如图2所示。该装置可检测RD753，RD754板的各项电气参数，并以良好的人机界面进行波形和参数的显示、存储、打印输出。
图1 新型数字系统设计方法
图2 FPGA 设计流程
2 XC4010E—PQ208内部结构及其特点
XC4010E—PQ208是美国Xilinx公司XC4000E系列产品中的中等规模芯片，该芯片具有160个IOB端口，1万个可用逻辑门和丰富的内部连线资源，比较适合在本设计中使用。
同该系列中其他产品相似，XC4010E—PQ208的阵列结构由3种可编程单元组成，即提供外部封装管脚与内部CLB间接口的可编程外围IOB模块，提供逻辑功能的可编程模块CLB和用作各模块间内部互连的可编程内连资源PI。除此之外还有一个存储配置程序的分布式存储器。上述3种可编程资源的功能实现就完全由芯片内部分布式存储器中存储的配置程序来控制。FPGA器件内部结构如图3所示。
图3 FPGA结构示意图
XC4010E是XC4000系列的改进型芯片，大大增强了芯片逻辑功能和运行速度。其内部CLB模块不仅最多可实现9输入变量的组合逻辑，还可配置成快速双口RAM阵列使用；其IOB模块不仅可选择输出电压斜率，还具有高达12 mA的驱动能力，同时也有防静电保护能力和软启动能力；其内部连线资源有更多的全局时钟线和宽位快译码电路，可提供更快更好的传输性能。以上诸多优点使XC4010E适用于较复杂数字系统的样机开发。
3 FPGA器件在自动测试系统中的设计和实现
8K机车辅助电源变流器控制板自动测试系统由PC机和测试接口装置两部分组成，通过RS—232串口通信。PC机主要进行测试控制和测试波形显示、存储、打印输出。测试接口装置完成对RD753、RD754板的激励和数据采集，FPGA器件用作80C196KC微处理器同被测电路间的数字接口。系统工作时PC机首先向测试接口装置发出测试命令，测试接口装置根据命令字对被测板进行相应的激励输出和响应信号的数据采集，一个测试完成后接口装置将采集到的数据传送到PC机，PC机对数据进行分析处理后以图形方式将波形显示出来。
3.1 测试接口装置的基本构成
自动测试系统需实现被测电路5路模拟信号、8路开关信号的激励输出和16路模拟信号、40路开关信号、16路频率信号输入的高速采集与存储，这部分功能由测试接口装置来实现。如采用常规中小规模集成芯片设计测试接口电路，则需用40多个芯片，体积过大。采用FPGA器件后接口装置硬件组成如图4所示。系统以80C196KC微处理器作为主控芯片，通过MAX3232同PC机进行串行通信，以MAX691作为电源监视和“看门狗”电路，Pout39～Pout32并行输出8路开关量激励信号，Pout43～Pout40并行输出模拟多路开关MAX336所需的通路选择信号，Pin39～Pin0用于输入被测开关量信号，F15～F0用于输入被测频率信号，Q3～Q0用于扩展RAM628128的页面选择，AB7～AB0和DB7～DB0分别为地址和数据驱动总线。XC4010E的配置采用XC17256串行SPROM芯片。测试接口装置上电后，FPGA芯片首先完成自我配置，然后使DONE信号变高，使80C196KC解除复位状态。
图4 测试接口的基本结构
3.2 FPGA的设计和开发实现
XC4010E内部实现的功能框图如图5所示。我们采用自顶向下以及自底向上两种系统设计相结合的方法完成整个FPGA的层次化设计。框图内所有组成模块均采用VHDL工业标准硬件描述语言编写。同原理图设计输入方式相比这种方式具有通用性强、效率高、适合进行大规模数字系统设计的优点。在本设计中FPGA所要取代的主要是74LS373、74LS245、74LS138、8255等中小规模芯片，编程设计并不太复杂。其中需要注意的是在总线设计中应使FPGA片内数据输出总线和数据输入总线分开，才有利于模块的分析、综合和仿真，如芯片内DBout7～DBout0、DBin7～DBin0总线分别完成数据输出和输入功能。同时要考虑Xilinx公司FPGA器件IOB模块的结构特点，构造如图6所示的双向总线I/O端口结构。
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图5 XC4010E实现的功能框图
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