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EDA技术应用报告
——微波炉控制器的应用实例

院（系、部）：
信息工程学院
姓 名：
安 蕊
学 号：
080719
年 级：
大学本科三年级
专 业：
计算机科学与技术
任课教师：
李 洋

2010 年 11月 9 日·北京
目 录

一、EDA技术的发展及应用..................................1
1.EDA简介..............................................1
2.EDA发展史............................................1
3.EDA技术的发展趋势....................................2
二、EDA技术的工程应用实例................................3
1.设计的基本要求与内容.................................3
2.系统的分析设计方案...................................3
3.系统仿真结果.........................................6
4.设计技巧分析.........................................7
5.系统扩展思路.........................................7
三、心得体会.............................................8
四、参考文献.............................................9

一、 EDA技术的发展及应用
1.EDA简介
EDA在通信行业（电信）里的另一个解释是企业数据架构，EDA给出了一个企业级的数据架构的总体视图，并按照电信企业的特征，进行了框架和层级的划分。 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容 丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义。但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以 计算 机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。
20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。
EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。
利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。
现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

2.EDA发展史
EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。大致可以分为三个发展阶段。
20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段：这一阶段的主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑，PCB布同布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来。
20世纪80年代的CAE(计算机辅助工程设计)阶段：这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时分析、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计而能在产品制作之前预知产品的功能与性能。
20世纪90年代是EDA(电子设计自动化)阶段：这一阶段的主要特征是以高级描述语言，系统级仿真和综合技术为特点，采用“自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成。

EDA是电子技术设计自动化，也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图：在电路板设计阶段，可以使用EDA中电路板设计工具设计多层电路板。特别是支持硬件描述语言的EDA工具的出现，使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计与制造。有专家认为，21世纪将是四A技术的高速发展期，EDA技术将是对21世纪产生重大 影响 的十大技术之一。

3.EDA技术的发展趋势
面对当今飞速发展的电子产品市场，设计师需要更加实用、快捷的EDA工具，使用统一的集成化设计环境，改变传统设计思路，将精力集中到设计构思、方案比较和寻找优化设计等方面，需要以最快的速度，开发出性能优良、质量一流的电子产品，对EDA技术提出了更高的要求。未来的EDA技术将在仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及开发操作平台的扩展等方面取得新的突破，向着功能强大、简单易学、使用方便的方向发展。

（1）可编程逻辑器件发展趋势
可编程逻辑器件已经成为当今世界上最富吸引力的半导体器件，在现代电子系统设计中扮演着越来越重要的角色。过去的几年里，可编程器件市场的增长主要来自大容量的可编程逻辑器件CPLD和FPGA，其未来的发展趋势如下：
1）向高密度、高速度、宽频带方向发展
2） 向在系统可编程方向发展
3） 向可预测延时方向发展
4） 向混合可编程技术方向发展
5） 向低电压、低功耗方面发展

（2）开发工具的发展趋势
面对当今飞速发展的电子产品市场，电子设计人员需要更加实用、快捷的开发工具，使用统一的集成化设计环境，改变优先考虑具体物理实现方式的传统设计思路，将精力集中到设计构思、方案比较和寻找优化设计等方面，以最快的速度开发出性能优良、质量一流的电子产品。开发工具的发展趋势如下：
1） 具有混合信号处理能力
2） 高效的仿真工具
3） 理想的逻辑综合、优化工具

（3）系统描述方式的发展趋势
1） 描述方式简便化
2） 描述方式高效化和统一化

二、EDA技术的工程应用实例
——微波炉控制器的设计与分析
1.设计的基本要求与内容：
现需设计一个微波炉控制器WBLKZQ，其外部接口如图1所示。通过该控制器再配以4个七段数码二极管完成微波炉的定时及信息显示。

图1 微波炉控制器外部接口符号图
其中图1中的各信号的功能及要求如下：
CLK是秒时钟脉冲输入，它接收每秒一个时钟脉冲的节拍信号。RESET为复位信号，高电平有效，用于芯片的复位功能。TEST为测试信号，高电平有效，用于测试4个七段数码二极管工作是否正常。

2.系统的分析设计方案：
（1）微波炉控制器的总体设计方案
根据该微波炉控制器的功能设计要求，本系统可由以下4个模块组成：① 状态控制器KZQ；② 数据装载器ZZQ；③ 烹调计时器JSQ；④ 显示译码器YMQ47。其内部组成原理图如图2所示。

图2 微波炉控制器WBLKZQ的内部组成原理图
1) 状态控制器KZQ的功能是控制微波炉工作过程中的状态转换，并发出有关控制信息；输入信号为CLK、TEST、START、SET_T、RESET和DONE，输出信号为LD_DONE、LD_CLK、LD_8888和COOK信号。
2) 数据装载器ZZQ的功能是根据KZQ发出的控制信号选择定时时间、测试数据或烹调完成信息的装入。
3)计时器JSQ的功能是负责烹调过程中的时间递减计数，并提供烹调完成时的状态信号供KZQ产生烹调完成信号。
4) 显示译码器YMQ47的功能就是负责将各种显示信息的BCD转换成七段数码管显示的驱动信息编码。需要译码的信息有：数字0～9，字母d、o、n、E。

（2）状态控制器KZQ的设计
状态控制器KZQ的功能是控制微波炉工作过程中的状态转换，并发出有关控制信息，因此我们可用一个状态机来实现它。经过对微波炉工作过程中的状态转换条件及输出信号进行分析，我们可得到其状态转换图如图3所示，其输入、输出端口如图4所示。

图3 KZQ的状态转换图

图4 KZQ的输入、输出端口图

（3）数据装载器ZZQ的设计
ZZQ的输入、输出端口如图5所示，根据其应完成的逻辑功能，它本质上就是一个三选一数据选择器。本设计采用一个进程来完成，但由于三个被选择的数据只有一个来自输入端口，因此另两个被选择的数据则通过在进程的说明部分定义两个常数来产生。

图5 ZZQ的输入、输出端口图

（4）烹调计时器JSQ的设计
烹调计时器JSQ为减数计数器，其最大计时时间为59:59。因此我们可用两个减计数十进制计数器DCNT10和两个减计数六进制计数器DCNT6级联构成。JSQ的内部组成原理如图6所示。

图6 JSQ的内部组成原理图

（5）显示译码器YMQ47的设计
本显示译码器YMQ47不但要对数字0～9进行显示译码，还要对字母d、o、n、E进行显示译码，其译码对照表如表1所示。

表1 YMQ47的译码对照表

3. 系统仿真结果
（1）系统的有关仿真
状态控制器KZQ、数据装载器ZZQ和烹调计时器JSQ的仿真分别如图7、图8和图9所示。

图7 状态控制器KZQ的仿真图

图8 数据装载器ZZQ的仿真图

图9 烹调计时器JSQ的仿真图

4.设计技巧分析
(1) 在状态控制器KZQ中，利用状态机的设计方法简化了设计。
(2) 在数据装载器ZZQ的设计中，利用三个装载信号的组合LD_8888 & LD_DONE & LD_CLK赋给变量TEMP，巧妙地解决了装载数据的选择问题。
(3) 在烹调计时器JSQ的设计中，利用两个减法十进制计数器和两个减法六进制计数器的串级组合，非常简便地实现了59′59″数之间的计时和初始数据的装载。

5．系统扩展思路
(1) 本微波炉控制器要求系统时钟CLK固定为1 Hz，而预置时间数据输入总线DATA0位数太多(为16位)，因此我们可对该系统进行改进，增加一个分频电路FPQ和一个“虚拟式”按键预置数据输入电路YZDL(如图10所示)，以使系统的通用性更好写。
(2) 设计外围电路：系统用方波信号源，直流工作电源。

图10 微波炉控制器WBLKZQ扩充后的内部组成原理图

三、心得体会

这学期EDA课程历经了10周，在这半学期的日子里，付出了很多，流了不少汗水，但真的学到了很多很多的东西，不仅是课本上所讲过的知识，更有很多在书本上所没有学到过的知识。通过一次次的实验和这次论文，我在一步步加深对EDA的了解，让我对它也有了更加浓厚的兴趣。特别是在实验操作过程中，每一个子模块编写调试成功时，心里都特别的开心。但是在编写一些其他的程序时，也遇到了不少问题，出现很多错误，在老师的帮助以及自己的细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，程序编译就通过了，心里也终于舒了一口气。
通过这学期的EDA课程使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学为所用，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在实践的过程中会遇到问题，也会发现了自己的不足之处——对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
对于本次的论文，我同样是受益匪浅，查阅资料过程中进一步了解到了关于EDA技术的历史，更了解了EDA技术几十年来它的发展经历和作用，以及今后的发展方向和趋势，同时也再一次体会到了要将学到的知识与生活中的事物联系起来。通过对智力抢答器基本工作原理的理解与实际操作，我还基本掌握了EDA相关软件的使用方法。在整个过程中我虽然碰到了许多的问题,但是通过课上老师的详细讲解以及在网上搜集的资料，最后都得到了解决，可以说是取得了基本满意的成果。
在论文的最后，感谢李老师一学期的辛劳付出，为我们带来了生动的课堂知识，感谢周老师的耐心与帮助，使我们的实验能够圆满完成，在此，谢谢老师们了！！！

四、参考文献

1、李 洋《EDA技术实用教程》 （第2版） 机械工业出版社2009.8 201-280
2、章彬宏《EDA应用技术》 北京 高等教育出版社 2007 76-93
3、包 明《EDA技术与可编程器件的应用》北京航天航空大学出版社 2007 58-72
4、潘松 王国栋《VHDL实用教程》（修订版） 电子科技大学出版社 2001.7 13-24
5、朱力恒《电子技术仿真实验教程》北京 电子工业出版社 2003 23-29