基于“单片机CPLDFPGA体系结构”的程控交换机系统集成化.pdf

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1、中国科学院空间科学与应用研究中心硕士学位论文基于“单片机+CPLD/FPGA体系结构”的程控交换机系统集成化设计姓名：邱柯妮申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：李霁野20040630摘要摘要有线通信方式由于具有保密性高、抗干扰能力强在军事通信中倍受青睐，因此，对军用有线通信设备的研究和设计具有十分重要的战略意义。T B J 一2 0 4 型野战2 0 线程控交换机是一种小型背负式模拟空分程控用户交换机，用于装备全军备兵种的作战、演习和紧急抢险等行动。本项目以该交换机为研究对象，在详细分析原设备的系统结构和功能实现方式的基础上，指出该机型在使用过程中存在技术相对陈旧、分立元件过多、可

2、靠性和保密性不够、体积大、重量大、维修困难等问题，同时结合系统的低功耗需求和优化人机接口设计，本文提出基于“单片机+C P L D F P G A 体系结构”的集成化设计方案：在C P L D 中实现信号音分频和计时频率生成电路、2 0 路用户L E D 状态控制电路；C P L D 与单片机以总线接口方式实现译码、数据和控制信号锁存功能的V H D L 设计：基于低功耗设计的器件选型方案和单片机待机模式设计；人机接口的L C D 菜单操作方式。本文详细介绍了改型设备的研制过程，包括C P L D 片内功能设计实现、主控制板和用户板各功能模块工作原理和设计实现、各硬件模块功能测试等，最后给出了

3、局内呼叫处理功能和话务员服务功能的软件实现流程。文章结尾介绍了改型设备的系统性能，它将实现更高的可靠往、保密性和抗干扰能力，同时具备低功耗和小型化的优点。最后。本文总结了项目设计中使用的关键技术，指出了设计的创新意义和将来的工作。关键词；程控交换机单片机C P L D 集成化设计总线接口I n t e g r a t e dD e s i g no f2 0 一L i n eF i e l dT e l e p h o n eE x c h a n g eB a s e dO Rt h eA r c h i t e c t u r eo fM C U+C P L D F P G AQ i uK

4、 e n i(C o m p u t e rA p p l i c a t i o nT e c h n o l o g y)D i r e c t e db yL iJ i y eA b s t r a c tW i r e dc o r n i T l u n l c a t i o nm e t h o di sa a a c h e di m p o r t a n c et ot h em i l i t a r yb e c a u s eo fi t sh i 曲s e c r e c ya n da n t i-j a m m i n g S oi t So fg r e a

5、ts t r a t e g i cv a l u et om a k ea p p l i e dr e s e a r c h e so nm i l i t a r yw i r e dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e T B J 一2 0 42 0 一L i n eF i e l dT e l e p h o n eE x c h a n g ei sam i n i t y p eb a c k p a c k i n ga n a l o g ys p a c ed i v i s i o ni n t e r c h a n g eP

6、A B X I th a sb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tm l ei ne q u i p p i n ga l lk i n d so fa r m sa n ds e r v i c e sf o rc a m p a i g n s，t a c t i c a le x e r c i s e sa n de m e r g e n ta c t i o n se t c B a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ee x c h a n g e Sa r c h i t

7、 e c t u r ea n di m p l e m e n t i n g，t h i st h e s i sp o i n t so u ts o m ed i s a d v a n t a g e so ft h ed e v i c e，s u c ha st O om a n ya b s o l u t ec o m p o n e n t s，n o tv e r yh i g he n o u g hr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y,-，e r yl a r g es i z ea n dw 西g 虹，o p e r a

8、 t i n ga n dm a i n t a i n i n gd i f f i c u l t l y C o n s i d e r i n gl o wp o w e rr e q u i r e m e n ta n dm a n-m a c h i n ei n t e r f a c eo p t i m i z i n gd e s i g na tt h es a n l et i m e，t h et h e s i sc o m eu pw i t ha ni n t e g r a t e dd e s i g ns c h e m et ot h ep r e v

9、 i o u sd e v i c eb a s e do n M C U+C P L D F P G AA r c h i t e c t u r e”：S i g n a lf r e q u e n c yd i v i d i n g，t i m i n gf r e q u e n c yp r o d u c i n g，2 0c u s t o m e r s L E Ds t a t e sc o n t r o l l i n ga r ei m p l e m e n t e di nC P L D；(重)D e c o d i n g,l a t c h i n gd a

10、 t aa n dc o n t r o l l i n gs i g n a l sa r ei m p l e m e n t e di nC P L Db yb u si n t e r f a c eb e t w e e nM C Ua n dC P L D；C h i ps e l e c t i n gp r i n c i p l e sa n dM C Ui d l em o d ed e s i g na r ec o m p l e t e du n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no fl o wp o w e rr e q u i

11、 r e m e n t；o p e r a t i o nb yC h i n e s eL C Dm e n B si sa d o p t e di nt h eM a n-m a c h i n ei m e r f a c e T h e n，t h ed e t a i l e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p i n gp r o c e s si sd i s c u s s e d：t h ei n s y s t e mf u n c t i o n si m p l e m e n t i n gi nC P L D；h a r d w

12、 a r em o d u l e sd e s i g no ft h em a i nc o n t r o l l i n gb o a r da n dt h ec u s t o m e r sb o a r d；t e s t i n gt h eh a r d w a r em o d u l e so n eb yo n e A n dt h e n，t h es o f t w a r ef l o wc h a r to ft h ed e s i g no fc a l lm a n a g e m e n ta n dt e l e p h o n i s t ss e

13、 r v i c e sa r ei n t r o d u c e d A tt h ee n do ft h et h e s i s，t h ei m p r o v e ds y s t e m Sh i g h l i g h t e df e a t u r e sa r ed i s c u s s e d-h i g hr e l i a b i l i t y,s e c u r i t ya n da n t i-j a m m i n g,l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds m a l ls i z ea sw e l l

14、F i n a l l y,t h ek e yt e c h n o l o g ya n dt i p sa d o p t e di nt h ep r o j e c ta r es m r a n a r i z e d A n dm o l e，t h ei r m o v a t i D na n dt h ef u t u r ew o r ka r ep r e s e n t e d K e y w o r d s：P A B XM C UC P L DI n t e g r a t e dD e s i g nB u sI n t e r f a c e-I f-蓥二童篁

15、笙第一章绪论在现代化立体战争中，有线通信方式由于具有保密性高、抗干扰能力强而倍受青睬。相对无线电通信、微波通信、卫星通信筹通信方式，有线通信更适合对使用性能、保密性、抗干扰能力要求很高的近距离通信作战环境。因此，对军用有线通信设备的研究和设计是军事通信领域研究工作的一个重要组成部分，具有十分重要的战略意义。T B J 一2 0 4 型野战2 0 线程控交换机是我室研制的主要设备之一，本项目以该交换机为研究对象，针对原系统中分立元件多、可靠性不够高等不足，提出了基于“单片枫+C P L D I F P G A 体系结构”的系统集成化设计方案。1 1T B J 一2 0 4 型野战2 0 线程控交

16、换机简介T B J-2 0 4 型野战2 0 线程控用户电话交换机是一种小型背负式模拟空分程控用户交换机，能进行自动程控无阻塞交换，实现全网直播，还可以完成呼叫、监听、呼H q 转移、拦截、强插、优先呼q、组群、电话会议等一系列服务功能。对任何多方呼叫的连接，都可以通过话务员的干预或由用户挂机而自动拆线。该机单机为2 0 个终端用户，双机叠加可扩充到4 0 个终端用户。用户通过选择不同类型的终端接口电路板，并通过编程，还可以灵活地连接各种终端设备。该机的另一特点是功耗较低，电池使用寿命长，静态功耗小于1 0 n 溶(+1 5 v、，一次装入新近出厂的电池满负荷连续工作时间达2 0 天以上，可满

17、足在野战条 牛下一次战役任务的需要。该机能在帐篷、猫耳洞、汽车、舰艇、野战等环境条件下工作，特别适合装备我军快速反应部队、山遗高原作战部队、边海防等营、团级部队使用，保证部队在迅速转移之后或无交流电源情况下能迅速组网使用。1 1 1 系统硬件结构及E 口制电路板原T B J 一2 0 4 型野战2 0 线程控交换机的硬件系统主要由C P U,电源、铃流、信号音、交换矩阵、D T M F 信号解码器、控制信号接口、话务员话音、用户(磁石终端和磁石+D C c 终端两种)、液晶显示、键盘扫描、L E D 指示和告警等电路模块组成，结构框图如下所示：基于“单片帆+c P L D，F P G A 体系

18、结构”的程拉交换机系统集成化垫生图1T B J 2 0 4 型2 0 线野战交换机结构框图(不含电源部分)各模块的功能简单描述如下：(1)C P U 该系统选用的是8 0 C 3 1 单片机作为主控芯片，外加扩展的R O M、R A M、E 2 p R O M 以及译码电路、主一副机控制电路、输入输出总线等。(2)电源该系统有两种供电方式：是机内1 2 节电池提供+1 8 V 和+1 5 V两组电压，其中+1 5 V 经变换和稳压后供整机各功能芯片所需的-+5 V 工作电压，+1 8 V 供铃流模块工作；第二种是系统外接2 4 V 直流电源，此时内部电池将被自动切断，由外接电源产生各种工作电压

19、。(3)铃流该部分电路产生7 5 V，2 5 H z 的方波作为话机振铃信号，还附加电流过冲保护电路。振铃信号的发送方式为2 秒送，2 秒停，磁石用户送两次，磁石中继线送一次。(4)信号音该部分电路产生交换机使用过程中的各种信号音，主要的服务音及指标如表1 所示：懑鬻鬻囊；麟麟i 獭黼舞。、r 甜r n。?!咒i i 溱攀麟麓薹j；曩善鬻窝鬻黪誊瑟j 瑟二誊u ；j拨号音4 5 02 5一I O 3 d B m持续发1 5 秒回铃音4 5 02 51 0 3 d B m2 秒送。2 秽停第一章绪论忙音4 5 02 51 0 3 d B m0 5 秒通，0,5 断，送3 秒排队等待音4 5 02

20、 51 0 3 d B m2 秒通，2 秒断，赢到话务员应答错误音1 0 0 02 51 0 3 d B m0 5 秒通，0 5 断，送1 5 秒强插音1 0 0 02 51 0 3 d B m持续o 2 5 秒，只送1 声表1交换机信号音及指标(5)交换矩阵该模块利用6 块M T 8 8 1 6 芯片(8 1 6 模拟开关阵列)完成话音、信号音的交换以及D T M F 信号的传输。(6)D T M F 信号解码器该模块利用M T 8 8 7 0 芯片实现D T M F 信号分离滤波租译码功能，输出相应1 6 种组合的4 位并行二进制码，共可以完成4 路D T M F 信号的转换。(7)控制信

21、号接1：2这部分电路主要由4 块7 4 H C 3 7 4 芯片来完成单片机对各功能模块所需的数据和控制信号的锁存功能。(8)话务员话音该模块实现话务员话音的产生和接收。包括话音信号放大、消侧音等功能。(9)用户(磁石终端和磁石+D C C 终端两种)用户A 板为磁石终端，用于连接各种型号的磁石电话机、磁石交换机；用户B 板的第l 路为磁石+D C C终端，由开关控制可实现磁石终端接口和D C C 中继线接口的选择。(1 0)液晶显示和键盘扫描该部分为话务员和交换机之间的交互接口，话务员通过按键和液晶显示完成各项服务功能。(1 2)L E D 指示和告警音L E D 指示各用户的忙闲状态，告警

22、音指示话务员的误操作等。该2 0 线交换机有1 0 个种类共1 2 块印制电路板，分别为C P U 板、接口板、信号音板、交叉矩阵板、电源铃流板、用户A 板、用户B 板、话务员板、母板和防雷板。其中，接口配置为3 块用户A 板，2 块用户B 板。防雷板用于对外线信号进行防雷、滤波处理，然后再将信号送入交换机。1 1 2 原系统功能实现方式该交换机提供的服务功能有：呼q 用户、强插、用户组群、热线、拦截、监听、电话会议、呼叫保持、来话转移、重新进入。这些服务数据是话务员通基于“单片,口L+C P L D F P G A 体系结构”的程控交换机系统集成化设计过键盘输入进行编程来实现的，C P U

23、采集编程数据后存入E 2 P R O M。开机进入编程状态后即可输入编程数据。每一组编程数据由6 位字符组成每一种操作命令的定义格式如表2 所示_ 一。童潘蘸蠢一一毒蕊麟攀蘩j：f i it 静征：?i 簿薄警_终端类型P 1 X X N N终端类型H 1 X X N N中继线组群P P S X中继线组群H P S L X X用户线组群P 6 S L X X用户线组群H 6 S L X X优先权P H X X 0 0优先权H H X X 0 0拦截P X X O O拦截H X X O O等级标识P E X X M M等级标识H E X X M M热线用户P 3 X X X X热线用户H 3 X

24、 X X X空缺用户板P 1 X X 3 2篆艟醚一：誊繁戮懿?+甏囊鬻满醚：。誊。i 蠖姆攀誓终端类型一1 X X 0 0全部终端类型E 1 0 0 0 0中继线组群P S L X X全部中继线组群E P 0 0 0 0用户线组群，6 X L X X全部用户线组群E 6 0 0 0 0优先权H X X O o全部优先权E H 0 0 0 0拦截，X X O O全部拦截E 0 0 0 0等级标识E X X M M全部热线用户E 3 0 0 0 0热线用户，3 X X X X全部数据E E 0 0 0 0空缺用户板1 X X 3 2E 1 0 0 3 2(x x：终端号；S L X X；群号；N

25、 N：终端类型；M M：中继线等级标识。)表2 话务员编程数据格式表1 1 3 技术性能指标下图为T B J-2 0 4 型2 0 线野战程控交换机在工作状态时的主机箱和前端盖。茎=主堡丝一一一一图2 主机箱和前端盖(工作状态)该交换机的部分性能指标如表3 所示：表3交换机部分性能指标1 2 问题的提出T B J 一2 0 4 型野战2 0 线程控交换机在我军营、团级作战部队的训练、演习和紧急抢险等任务中担当重要的使命，但随着电子技术的发展和现代化战场要求的不断提高，该机型在使用过程中逐渐显露出如下问题：(1)设计技术厦元器件类型相对陈旧该系统沿用的是七八十年代的电子设计技术，当时元器件的选择

26、范围有限，某些器件生产现在也断档。另外，该系统中电阻、电容和芯片均采用直插方式，也大大降低了P C B 板的利用率。(2)功能实现方式繁琐该系统的某些功能实现方式显得过于冗长和繁琐。例如：话务员服务功能薹王：皇苎垫!生里堡!鱼垒堡墨鱼塑：塑堡丝銮堡塑墨堑堡璧些堡堕是通过编程来实现的，其编程数据非常复杂(如表2)，话务员必须熟悉这些编程输入格式或查表，才能设置、验证、删除相关的服务项目。显然，这种操作方式不能满足诸如部队快速行动和紧急抢险等战备环境的需求。(3)分立元件过多导致可靠性、抗干扰能力、保密性不够，维修困难该设备中分立元件的种类和数目很多，造成系统可靠性、通信保密性不够，维修过程中查找

27、故障繁琐，以及不易提高抗干扰能力和最大限度降低系统功耗等不足。我们知道，每个元件都有自己的性能指标，包括工作温度范围、功耗及其它电特性参数，这样，必然会存在元件性能参数的“瓶颈”，从而阻碍系统可靠性和低功耗设计。分立元件的种类和数目太多还会导致硬件连线复杂和信号延时不易控制等问题。例如，原系统的分频电路里首先使用一个固定的外界时钟源，然后把从这里引出的时钟信号利用计数器分频，分出的信号的延迟时间，脉冲宽度、占空比、周期等各种基本数据决定于所使用的I c 器件，而且分频电路一般通过多个分频芯片级联组成，这样就可能导致芯片利用率不高和延迟不准确等一系列问题。分立元件过多还将导致通信设备电磁泄漏严重

28、。电磁泄漏是指电子设备的杂散(寄生)电磁能量通过导线或空间向外扩散。任何处于工作状态的电磁信息设备都存在不同程度的电磁泄漏，如果这些泄漏“夹带”着设备所处理的信息，就构成了电磁信息泄漏。在满足一定条件的前提下，运用特定的仪器均可以接收并还原这些信息。因此，一旦所涉及的信息是保密的，这些泄漏就威胁到了信息安全。(4)体积大，重量大该机的体积和重量在表3 的性能指标中已列出，虽然比我室早期的T B J 2 0 3型1 6 线程控交换机减小了3 0，然而相对现代化作战环境的需求，它无疑仍是一个庞然大物，不便于携带，影响军队战斗力。系统中分立元件过多、元件型号陈旧、元件尺寸大是造成体积大、重量大的主要

29、因素。例如，信号音分频电路中，产生4 5 慨k 的信号音通过了4 片4 5 1 9 和2 片4 5 2 0 芯片，而这些芯片的输出管腿利用率很低，不仅降低了系统的设计效率，还占用了P C B 板大量的空间和重量。第一章绪论1 3 研究背景就调研的情况来看，中国大陆研制该规模野战交换机的单位只有中科院空间中心通信室一处，通信室自1 9 9 7 年成功研制该设备并通过设计定型试验以来，一直致力于多种型号的野战交换机的研发和改进工作。生产该设备的单位和厂家有两处：中科院空间中心通信室和人民解放军6 9 0 8 工厂(深圳)。其中，中科院空间中心通信室每年生产该型号设备1 0 0 2 0 0 台，人民

30、解放军6 9 0 8 工厂为总参通信部指定生产单位，他们沿用中科院空间中心通信室的研制技术，每年生产2 0 0 4 0 0 台。国外军用野战交换机的研发和改进工作都在高度保密状态下进行，目前尚未能查到近十年来国外同种规模的野战交换机的研制情况、技术资料和公开发表的成果。但就掌握的总体情况来看，欧美、澳大利亚、日本等国在该领域的研究起步比我国早，设备可靠性非常高，但作为军品出口的价格非常昂贵，例如加拿大的S B l 2 0 型号的1 2 线交换机在8 0 年代售价高达1 万美元每台。通过对国内外其它规模的军用程控交换机的调研了解到，2 0 0 0 年9 月，我国“九五”重中之重项目高性能程控数字

31、交换机研制成功并顺利通过了国家验收。该机最突出的特点是其交换芯片全部由我国自行设计生产，等于把握住了信息安全的命脉，对提高我军野战通信能力意义重大。美国国防部1 9 7 1 年5 月制订了“特雷特克计划”，研制了一种全军各兵种共用的战术区域通信网。在陆军中，该系统用于装备军以上单位，与国防通信系统互通。在海湾战争中美军曾启用过该系统，它的特点是自动化程度高、保密性强。该通信系统中使用的交换机为A N f T C 3 9 和A N T Y C 3 9。A N T T C 3 9是一种模块式保密自动程控交换设备，它容量可达6 0 0 线，若采用叠加方法，可扩展到2 4 0 0 线。该交换机能转接话

32、音、记录业务、数据传真和图像，并具有会议电话、预占(5 级)热线、自动迂回、呼叫转接转移、缩拉拨号等功能。由此可见，优良的可靠性、高度的功能集成和保密性及自主知识产权是军事通信电子技术研究的主攻方向。然而，我国中小规模军用野战交换机的研制工作起步晚，发展进程比较缓慢。因此，本项目对2 0 线野战交换机的改型设计既顺应了现代军事电子技术发展的趋势，也加快了我国小规模军用野战交换机实现高性能、低功耗、小型化和标准化的步伐，对于促进我国军事通信的发展和设备更新有重要的意义。基于“单片机+C P L D F P G A 体系结构”的程控交换机系统集成化设计1 4 本章小结提高军用有线通信设备的可靠性、

33、保密性和抗干扰能力以及降低系统功耗、实现设备小型化具有十分重要的战略意义。T B J 一2 0 4 型野战2 0 线程控交换机是一种小型背负式模拟空分程控用户交换机，供全军各兵种使用。该设备能进行自动程控无阻塞交换，实现全网直播，还可以完成呼叫、监听、来话转移、拦截、强插、优先呼叫、组群、电话会议等一系列服务功能。但随着电子技术的发展和现代化战场需求的不断提高，该机型显露出设计技术及元器件类型相对陈旧，功能实现方式繁琐，可靠性、抗干扰能力、保密性不够，维修困难，体积大、重量大等不足。我国中小规模军用野战交换机的研制工作起步晚，发展进程比较缓慢，研制2 0 线野战交换机的单位也仅有中科院空间中心

34、通信室一个部门。从我国“九五”项目高性能程控数字交换机的研制成功以及国外军用有线通信设备的研制现状来看，优良的可靠性、高度的功能集成和保密性、低功耗、小型化以及自主知识产权是军事通信设备发展的主要方向之一。而且，面对瞬息万变的国际政治局面，实现军事通信设备的现代化也迫在眉睫。因此，对2 0 线野战交换机的改型设计顺应了现代军事电子技术发展的趋势，进一步促进了我国小规模军用野战交换机实现高性能、低功耗、小型化和标准化。整三兰堡垫互壅：堡生堕墨塑垫查壁塞第二章解决方案、设计内容和技术难点2 1 解决方案针对原设备中存在的问题，结合现代集成电路领域的先进技术，本文提出以“单片机+C P L D F

35、P G A 体系结构”实施对原系统的集成化设计和设备改型，实现设备的小型化、模块化和标准化，进一步提高集成度和可靠性，降低系统功耗。2 1 1O P L D F P G A 器件及E D A 设计技术现代电子系统一般由模拟子系统、数字子系统和C P U 子系统三大部分组成。数字系统以往是采用传统的搭积木式的方法迸行设计，即由器件搭成电路板，由电路板搭成电子系统，设计的灵活性很差，系统中分立元件的种类多且数目大。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，可编程逻辑器件和E D A 技术逐步得到普及，电子系统设计发生了革命性的变化，解决了以往以分立元件为基础的电子系统存在的许多不足。现在，利用可

36、编程逻辑器件和E D A工具，就可以通过设计芯片来实现系统功能，将原来由电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，极大地减少了设计的盲目性，提高了设计效率。可编程A S I C 是指由用户编程来实现所需功能的专用集成电路，C P L D 和F P G A 是可编程A S I C 中极具魅力的可编程器件，它们是现代化系统设计、电路设计和工艺设计紧密结合的产物。C P L D F P G A 器件的设计可分为设计输入、设计实现和器件编程三个步骤及相应的功能仿真、时序仿真和器件功能测试三个验证过程，如图3 所示：基于“单片机+C P L D F P G A 体系结构”的程控交换机系统集成化设计图3

37、 司编程逻辑器件设计流程由上图可见，电路的设计与连接完全反映在芯片设计中，在下载之前的设计输入和综合、仿真等工作都是通过软件来完成的。这种设计方法具有研发周期短、成本低、设计灵活等优点，而且，其可编程特性使系统内硬件的功能可以像软件编程一样进行配置，实时地进行灵活而方便的更改和开发。这种“软”硬件的系统设计概念使电予系统具有极强的灵活性和适应性。E D A 技术鼹个重要的基本特征是“自顶向下”的设计方法和V H D L 硬件描述语言。“自顶向下”的设计方法是指从系统级入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，然后在方框图一级利用硬件描述语言来描述高层次的系统行为，最后进行逻辑综合优化。这种设

38、计方法有利于在早期发现结构设计中的错误，提高设计的成功率。硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征。它的突出优点有：(1)便于组织大规模系统设计V H D L 提供了从行为级、R T L 级、逻辑门级到最终电路级和版图参数的多层次描述，整个设计过程都在国L 的环境下进行。随着E D A 工其功能的优化，设计者可以逐步提高设计的层次，而相应的较低层次的V I-I D L 可由E D A 工具自动生成，从而提高开发效率。(2)语言的公开可利用性高V H D L 语言已经成为I E E E 标准，得到众多塑三童堡盗查茎：垦盐塑查塑垫查壅皇一E D A 工具的支持。(3)设计与

39、工艺元关V H D L 代码的可移植性和可重用性好，便于设计的复用和继承。2 1 2“单片机+O P L D F P G A 体系结构”的特点单片机系统是当前应用最广泛、最典型的现代电子系统，具有智能化的硬件体系结构，主要由软件来实现系统功能，是以计算机为核心的一种“柔性硬件”，因此设计者们拥有相当自由的开发空间，可以形成自己的设计开发风格。以纯单片机为控制核心的系统设计优势主要表现为以下几点：(1)时序控制能力强单片机有专门的时钟电路产生时钟信号，其定时单位有拍节与状态、机器周期、指令周期，根据指令和所需的机器周期数的不同可分为单字节指令单机器周期和单字节指令双机器周期、双字节指令单机器周期

40、和双字节指令双机器周期以及三字节指令双机器周期。单片机执行指令是在时序电路的控制下严格按时序进行工作，它从外围设备接收和发送数据及控制信号都是按程序指令顺次进行控制，不存在并行机制，有力保证了整个应用系统的有序工作。(2)设计简单快捷单片机实际上是一个微型计算机系统，其内部逻辑结构包含C P U、R A M、R O M、定时器、计数器、并行U O 口、串行口、总线、中断控制系统和系统时钟电路等资源，这些功能模块已作为内核嵌入。对设计者而言，只需要了解其操作方式和指令系统，便可以在软件中方便地实现许多模块级功能。(3)l 生价比高1 9 7 6 年第一款8 位单片机问世，它以体积小、控制功能全、

41、价格低等特点赢得了广泛的应用和好评。随后，各种系列和型号的单片机芯片就如雨后春笋，层出不穷。现在，单片机已广泛应用于生活和生产的各个方面，如工业自动化、军事装备、通信产品、家用电器、消费电子等，长期稳定的发展和广泛的应用研究使其性价比非常高，并且积累了大量的技术参考资料。基于“单片机+c P L D 胛G A 体墨骘构：宣塑墼蝥逆!堡纯；堂!墨笪纯单片机控制方式的缺点主要表现为：(1)端口数目有限普通单片机的引脚数目为4 0 左右，主要包括电源、时钟、复位、控制信号、I(3 端口等。如果用这些端口直接产生各外围设备所需的数据和控制信号，其数目通常不能满足要求，这样就需要在外部添加译码和锁存电路

42、来扩展I O 端口，由此整个系统将变得庞大和臃肿，设备的体积和重量也会增加。(2)系统硬件连线复杂，可靠性不够以纯单片机为控制核心的系统中，由于添加了许多分立元件来扩展控制端口，这必将导致硬件连线复杂，信号之间的干扰增大，可靠性降低，系统功耗也增大。以纯C P L D F P G A 为控制核心的系统的设计优势在于：(1)可靠性高C P L D 和F P G A 均采用了现代先进的编程工艺和合理的内部互连结构，可以保证较高的可靠性。另外，对于运用V H D L 输入的设计，其实现方式独立于器件工艺，避免了具体的电路搭建可能造成的不可预知的信号干扰和布线不合理等问题，有利于提高系统性能。(2)设

43、计效率高C P L D 和F P G A 内部的基本结构是些基本的宏单元或逻辑块，每个芯片中含有几十到上千个这样的基本单元，芯片的端口资源也相当丰富，用户可用管腿可从几十到二、三百，很容易完成以数字电路方式实现的各种逻辑控制功能。口核的开发和广泛应用更提高了设计的有效性，缩短了开发周期。另外，C P L D F P G A 具备真正并行执行，其中V H D L 模型中包含并行执行的支持机制。如图4 所示，如果输入集1 和输入集2 同时有效，则逻辑块1 和逻辑块2 同时被激活，逻辑块3 会在逻辑块LC Z t)或者逻辑块2(z 2)的输出有效时被激活。当信号传播通过逻辑块3 时，新变化的信号又可

44、以通过逻辑块1 和逻辑块2 传播，即信号流可以同时在这三个块中流动。这种并行处理能力无疑大大提高系统工作效率，同时也有利于协调并发的低速设备和顺序执行的高速处理器之间的通信。第二章解决方案、设计内容和技术难点输入集1输入集2输出图4 逻辑块映射到进程框图而单片机程序实际上是按顺序执行的，并不具备并行处理能力，只不过从仿真的角度上可以把它们的执行看作是并发的。(3)集成度和保密性高C P L D F P G A 设计的一个显著优势在于，它们像一张白纸，设计者可以定制系统功能，在芯片内实现几乎所有的数字逻辑。这种集成化设计摆脱了引进分立元件的限制，给系统的可靠性和保密性带来了较高的保障，对于军用设

45、备的研发具有重要意义。相对于单片机，纯C P L D F P G A 控制方式的缺点主要表现为：(1)本身不具备内部寄存器C P L D F P G A 并不象单片机那样本身含有寄存器、计时器、中断等资源，虽然可以利用其内部逻辑单元来实现这些功能，但容易耗费大量的资源。(2)时序控制能力不如单片机强上面提到，C P L D F P G A 具备真正的并行执行，这方面成就了它的高效设计，但另一方面也给时序控制带来了很多问题。如图4，如果逻辑块l 和逻辑块2 中有相同的进程敏感信号表而函数关系不同，这样很容易导致逻辑块3接收信号紊乱。因此，设计者需要充分考虑并行执行过程中时序关系对信号的影响。通过

46、以上分析可见，单片机和C P L D F P G A 有很强的互补性，而“单片机+C P L D F P G A 体系结构”则能够有效地克服单纯以单片机为控制核心和单纯以C P L D F P G A 为控制核心的系统的缺点，并且把二者的长处最大限度地发挥出来。在基于该体系结构的系统中，单片机担当控制的核心，而在C P L D F P G A中实现单片机I 端口扩展，产生系统所需的各种数据和控制信号，从而去掉译码器、锁存器、缓冲器等分立元件，大大简化硬件连线，提高可靠性。另外，系统中的纯数字电路，如计数、分频和一些基本逻辑功能都可以在C P L D F P G A基于“单片机+C P L D

47、F P G A 体系结构”的程控交换机系统集成化设计中集成设计。结合二者的长处，基于“单片机4-C P L D F P G A 体系结构”的系统具备可靠性高、功耗低、保密性高、体积重量小等优点，正切合了当前军事通信设备的性能需求。2 2 设计内容和几点说明2 2 1 集成化设计基于“单片机q-C P L D F P G A 体系结构”的系统集成化设计包括以下几个部分：(1)原系统中4 5 0 H z 和1 K H z 的信号音、信号音发送过程中计时所需的2 H z、1 H z 和O 2 5 H z 三种频率、铃流模块中控制振铃频率的2 5 H z 信号及其保护电路的控制信号都可以利用C P L

48、 D F P G A 中的计数器和基本门电路完成，可直接采用原理图输入方式；(2)原系统中的译码和各控制信号及数据的锁存、缓冲等电路均在C P L D F P G A 中实现，形成如图5 所示的总体结构；图5 集成化设计的系统总体结构框图(3)控制2 0 路用户L E D 状态显示的可寻址锁存器可采用原理图输入方式在C P L D F P G A 中实现。第二章解决方案、设计内容和技术难点2 2 2 低功耗设计该交换机在野外战备环境下主要以电池供电方式工作，因此低功耗是系统设计追求的主要目标之一。低功耗设计需要贯穿于系统设计的各个环节，主要考虑的几个方面有：(1)设计最佳的休眠方式，使设备在体

49、眠状态时静态功耗被限制在最低程度；(2)器件选型过程中，尽量选择低电压工作的芯片；(3)在确保可靠性的基础上，尽量简化电路，提高系统集成度。数字逻辑电路部分的功能尽可能在C P L D 中实现，以减小分立元件秘类多数目大给系统带来的负担；(4)探讨专用芯片的功能实现方式，以最少的芯片数量和最佳的实现方式来完成模块功能。2 2，3 人机接口的菜单实现方式表2 显示了原系统中话务员编程操作格式，话务员要实现某项服务必须按照规范的编程格式来完成，其操作非常复杂。本设计中改变了话务员输入编程数据来实现服务功能的模式，直接采用中文菜单翻页的方式来设定各项功能，操作非常简便直观，话务员不需要专门的培训即可

50、熟练地使用设备。2 2。4 几点说明由于本项目旨在探讨基于“单片机+C P L D F P G A 体系结构”的集成化设计模式，属于预研开发性质，为了更清晰地呈现该模式的实现方式，本设计简化了原系统的某些功能，构成一个小型程控交换系统。简化部分说明如下：(1)本系统主要实现2 0 路话音的局内交换和基于磁石中继线的局间话音交换以及话务员服务功能，省去了原系统的D C C 中继功能，由此可以去掉话务员发号电路、D C C 中继用户电路。(2)省去了双机叠加为4 0 路终端的功能。(3)省去了防雷板，本系统仅使用两块印制板主控制板和用户板(2 0路磁石用户)来代替以前的十二块板。尽管简化了上述部分