毕业设计：交通灯的PLC控制设计资料.doc

毕业设计：交通灯的PLC控制设计（完整版）资料(可以直接使用，可编辑 优秀版资料，欢迎下载）姓名 C 8 选课 C 20j=j+1C. SELECT SUBS(学号,3,2) AS专业, AVG(成绩) AS平均分 FROM 选课WHERE 课程号=”101” ORDER BY 专业【答案】D【答案】-136.1系统漏洞2黑客攻击3病毒入侵4网络配置管理不当（6分）endif【答案】Cendcase【答案】-1职业技术学院 毕 业 设 计题目 交通灯的PLC控制设计 系别专业班级姓名学号指导教师日期设计任务书设计题目： 交通灯的PLC控制设计设计要求：表1 交通灯运行规律表东西方向南北方向时间时间绿灯红灯红灯15s红灯红灯红灯55s黄灯红灯红灯4s红灯绿灯红灯32s红灯黄灯黄灯4s红灯红灯红灯39s绿灯红灯红灯15s黄灯红灯红灯4s红灯绿灯绿灯18s红灯黄灯黄灯2s在本设计中有开始按钮和停止按钮2个输入端口，共有4个七段数码管和18个指示灯，指示灯的具体亮、熄如上表1，在东西方向和南北方向各设一组数码管显示器，按倒计时的方式显示通行和停止时间。设计进度要求：第一周：搜集设计资料。第二周：观察交通灯的运行规律。第三周：进行硬件设计。第四周：进行软件设计。第五周：整理资料。第六、七周：修改整理设计报告。第八周：毕业答辩。 指导教师（签名）： 摘 要PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时，PLC本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。本设计是以PLC控制为核心的交通灯，选用西门子S7-200系列CPU226型主机，5个EM222 （DO8直流24V）型数字量扩展模块，并利用定时、计数器作定时计数用，LED七段数码管作为计时显示用。利用CPU226的2个输入点作为启动按钮和停止按钮，16个输出点和一个EM222扩展模块的输出点作为东西方向和南北方向的左转、右转、直行的红、黄、绿灯。并利用4个EM222的28个输出点分别作为东西方向和南北方向的数码管个、十位显示输出。本交通灯系统简单，实用性强，成本低，使用维护方便，软件功能强，运行稳定可靠等优点。关键词：PLC，交通灯，倒计数，显示 目 录摘 要II1 PLC的概述11.1 PLC的发展历程11.2 PLC的构成21.3 PLC的特点21.4 PLC的功能31.5 PLC的工作原理32 硬件设计52.1 硬件设计步骤52.2 主机CPU及扩展模块选择52.3 I/O端口分配62.4硬件设计框图72.5 接线图83 软件设计93.1 PLC编程软件的基本思路93.2 梯形图104 系统调试234.1 硬件调试234.2 软件调试235 结论24致谢25参考文献261 PLC的概述1.1 PLC的发展历程虽然PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：一、早期的PLC（60 年代末70 年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装、体积小、能耗低、有故障指示、能重复使用等。其中PLC 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。二、中期的PLC（70 年代中期80 年代中后期）在70 年代微处理器的出现使PLC 发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC 的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC 得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 的应用范围得以扩大。三、近期的PLC（80 年代中后期至今）进入80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC 所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。1.2 PLC的构成PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成。 PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。1.3 PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强可靠性高是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.4 PLC的功能PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 1.5 PLC的工作原理1、输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CUP采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。2、扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。3、对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。4、各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟，这是PLC的主要缺点。在读输入阶段，CUP对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CUP按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。PLC信号的传递过程，如图1.1所示：图1.1 PLC信号的传递过程2 硬件设计2.1 硬件设计步骤根据可编程控制器设计交通灯硬件部分的设计步骤，本设计的硬件设计步骤如下所示：（1）PLC的选型；（2）输入、输出点的估算；（3）主机型号的选择；（4）模块的扩展及I/O编址；（5）输入、输出端子的分配；（6）画出I/O接线图。2.2 主机CPU及扩展模块选择根据设计要求，有开始按钮和停止按钮2个输入端及46个输出端的需要，由主机类型表2.1，设计中主机选用了为CPU226。CPU226的输入输出点比较多，共有I0.0-I共16个输出点。CPU226的24个输入点可以满足本设计中2个输入点的需求，但是16个输出点不能满足本设计46个输出点的需求，因此需要表2.1 主机类型表型号主机输入点数主机输出点数可扩展模块数最大扩展电流/mACPU22164无0CPU222862340CPU22414107660CPU226241671000根据本设计输出端口及电流流量的需求，可选扩展模块如表2.2，经比较后在设计中选用了5个8输出端口 电流为50mA的EM222扩展模块。表2.2 扩展模块表分类型号I/O规格功能及用途数字量扩展模块EM221DI8*直流24V8路数字量24V直流输入EM222DO8*直流24V8路数字量24V直流输出（固态MOSFET）DO8*继电器8路数字量继电器输出EM223DI4/DO4*直流24V4路数字量24V直流输入、输出（固态）DI4/DO4*直流24V继电器4路数字量24V直流输入4路数字量继电器输出DI8/DO8*直流24V8路数字量24V直流输入、输出（固态）DI8/DO8*直流24V继电器8路数字量24V直流输入8路数字量继电器输出DI16/DO16*直流24V16路数字量24V直流输入、输出（固态）DI16/DO16*直流24V继电器16路数字量24V直流输入16路数字量继电器输出2.3 I/O端口分配输入端口：I0.0 接启动按钮，I0.2接停止按钮。输出端口分配如表2.3 和表2.4表2.3 七段数码管输出端口分配表东西向南北向Q0.0Q0.6七段数码管（个位）Q2.0Q2.6七段数码管（个位）Q1.0Q1.6七段数码管（十位）Q3.0Q3.6七段数码管（十位）表2.4 交通灯输出端口分配表方向颜色东西向南北向红灯Q4.0Q4.3Q4.6Q5.1Q5.4Q5.7绿灯Q4.1Q4.4Q4.7Q5.2Q5.5Q6.0黄灯Q4.2Q4.5Q5.0Q5.3Q5.6Q6.12.4硬件设计框图 图2.1 硬件设计框图2.5 接线图根据设计要求所需4个七段数码管和18个指示灯，在东西和南北方向的指示灯各有三组，左转、右转、直行。而且每组指示灯都有红、绿、黄三种颜色。而数码管有共阴和共阳两种接法，见附录，而我在本设计中选用的是共阴极接法。接线图如图2.2所示。图2.2 接线图3 软件设计3.1 PLC编程软件的基本思路 系统设计与设备选型a. 分析你所控制的设备或系统。PLC最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。b. 判断一下你所要控制的设备或系统的输入输出点数是否符合可编程控制器的点数要求。（选型要求）c. 判断一下你所要控制的设备或系统的复杂程度，分析内存容量是否够 I/O赋值（分配输入输出） a. 将你所要控制的设备或系统的输入信号进行赋值，与PLC的输入编号相对应。（列表）b. 将你所要控制的设备或系统的输出信号进行赋值，与PLC的输出编号相对应 执行程序的过程及特点PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。1输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。2程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。3输出刷新阶段程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。3.2 梯形图4 系统调试4.1 硬件调试根据电气接线图安装接线，PLC实际接线时，还应考虑到以下几个方面：一、应有电源输入线，通常为220V、50HZ交流电源，允许电源有一定的浮动范围。并且必须有保护装置，如熔断器等。若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合，应在PLC的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。二、输入端子八个为一组，公用一个COM端。PLC应单独接地，不要和其他电器元件共用接地线，接地线面积应大于2mm,并尽可能靠近PLC。三、PLC输出端接有线圈和电磁阀等感性元件时必须加保护电路，例如并接阻容吸收回路（对于交流电源）或续流二极管（对于支流电源）。4.2 软件调试用编程工具将用户程序输入计算机，经过反复编辑、编译、下载、调试、运行，直至运行正确。打开梯形图编辑器将程序输入电脑。程序输入完成后，用CPU的下拉菜单或工具条中编译快捷按钮对程序进行编译，编译后在显示器下方的输入窗口显示编译结果，并能明确的指出错误的网络段，可以根据错误的提示对程序进行修改，然后再编译，一直到编译无误。程序编译成功后，单击标准工具条中下载快捷按钮打开文件菜单，选择下载项，弹出对话框，经选定程序块、数据块、系统块等下载内容后，按确认按钮将选中内容下载到PLC的存储器上。当PLC工作方式开关在TERM位置时还可用STEPMICRO/WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计。使用程序编辑器还可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据，打开调试菜单选中程序状态。这时闭合触点和通电线圈内部颜色变蓝。在PLC的运行工作状态随输入条件的改变定时及计数过程的运行，每个扫描周期的输入阶段将各个期间的状态刷新，同时还可以动态显示各个定时与计数器的当前值，以便在线动态观察程序的运行，出现错误易于发现更改。在STOP状态下对程序进行修改编辑，重新编译、下载、监视运行，如此反复修改调试，直到得到正确运行结果。5 结论本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对交通灯的控制。利用梯形图程序可以很直观的看出运行过程。利用可编程控制器控制交通灯，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。交通灯的设计课题，详细介绍了PLC的结构配置、工作原理、编程方法和通信等内容；并在此基础上介绍了PLC控制系统的设计原则、设计步骤、硬件设计、软件设计等；最后在实例中介绍常用PLC的型号和资源配置。本课程是以实际生活中的设计,运行、管理,维护安装为目的，培养学生应用 PLC解决实际问题和独立工作的能力，培养实事求是、严肃认真、细致踏实的工作作风，为将来从事自动化设备的生产、调试、安装打下必要的基础。使我们熟练掌握 PLC的硬件配线，熟悉PLC的编程规则，熟悉编程软件的使用，掌握应用PLC解决生产实际问题的方法及步骤。通过设计，学会观察、调查研究、搜集资料、整理报告的方法，提高分析问题的能力。通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。并且，更了解了有关可编程控制器的功能。致谢过近两个月的设计，最终取得圆满的成功。成功的背后是精心的指导、无微的帮助和辛勤的付出。在整个设计过程中我有幸得到陈永利老师的精心指导，陈老师不断的关注我的设计过程。在我迷惑和不解的时候陈老师并不是直接的替我解决问题，而是让我理清思路，精心点拨、热忱鼓励，开拓了我的研究思路。正所谓“授人以鱼，不如授人以渔”，陈老师循序渐进的教学方法让我受益匪浅。在与陈老师交流的过程中，我不仅发现了她知识的渊博，同时发现了她做人及做事的执著，陈老师严谨求实的科研态度和踏踏实实的工作作风让我为之震撼，在以后的生活和工作中我将会发扬这种精神。“温故而知新，可以为师也”，通过这次毕业设计，不仅仅让我对我的专业知识有了更透彻的认识，对可编程控制器的内部结构、组成以及常用编程设计思路的技巧有了更深刻的领悟，更重要的是整个过程培养了我分析和解决问题的能力。大学的学习不是一种纯粹的知识的学习，而是一种思维的学习，一种发现问题、思考问题、解决问题能力培养。在设计中，使我对本专业知识在实际运用中有了感性的认识和全新的体会，基本做到了将所学知识融会贯通，学以致用，同样我也意识到自动化管理的重要性。在此，我还要感谢含辛茹苦培养教育我的陈老师和志同道合的学友们，你们的帮助、支持、宽容、理解让我有了面对困难的勇气和克服困难的信心。在论文即将结束之际，我的心情无法平静，整个设计的圆满成功，倾注了多少老师、同学、室友、朋友的支持和帮助，在此请接受我诚挚的谢意!“可怜天下父母心”，在这里我还要以不多的文字感谢我的父母，感谢您们把幸福给予了我，把辛酸留给了自己。最后，我还要感谢评阅和阅读本文的老师为此付出的辛勤劳动！参考文献1 孙振强主编.可编程序控制器原理及应用教程. 清华大学出版社, 20052 郑凤翼,郑丹丹等编著.PLC控制系统,人民邮电出版社, 20063 王阿根编著.电气可编程控制原理与应用.清华大学出版社, 20074 王伟主编.可编程序控制器的使用和维护.化学工业出版社, 20055 陈立定等编.电气控制与编程控制器.华南理工大学出版社, 20011 EDA技术及VHDL语言介绍1.1 概述EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言HDL（ Hardware Description language）完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器。综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合，最终获得我们欲实现功能的描述文件。综合器在工作前，必须给定所要实现的硬件结构参数，它的功能就是将软件描述与给定的硬件结构用一定的方式联系起来。也就是说，综合器是软件描述与硬件实现的一座桥梁。综合过程就是将电路的高级语言描述转换低级的、可与目标器件FPGA/CPLD相映射的网表文件。 适配器的功能是将由综合器产生的王表文件配置与指定的目标器件中，产生最终的下载文件，如JED文件。适配所选定的目标器件（FPGA/CPLD芯片）必须属于在综合器中已指定的目标器件系列。硬件描述语言HDL是相对于一般的计算机软件语言，如：C、PASCAL而言的。HDL语言使用与设计硬件电子系统的计算机语言，它能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定器件结构特征和电路的行为方式；然后利用综合器和适配器将此程序编程能控制FPGA和CPLD内部结构，并实现相应逻辑功能的的门级或更底层的结构网表文件或下载文件。目前，就FPGA/CPLD开发来说，比较常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL。11.2 EDA技术 EDA技术的发展与应用电子设计技术的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术已有30年的发展历程，大致可分为三个阶段。70年代为计算机辅助设计(CAD)阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。80年代为计算机辅助工程(CAE)阶段。与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。90年代为电子系统设计自动化(EDA)阶段。 EDA技术的基本特征EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。下面介绍与EDA基本特征有关的几个概念。第一，“自顶向下”的设计方法10年前，电子设计的基本思路还是选用标准集成电路“自底向上”地构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔，不仅效率低、成本高而且容易出错。高层次设计是一种“自顶向下”的全新设计方法，这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。第二，ASIC设计现代电子产品的复杂度日益提高，一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。解决这一问题的有效方法就是采用ASIC芯片进行设计。ASIC按照设计方法的不同可分为全定制ASIC、半定制ASIC和可编程ASIC（也称为可编程逻辑器件）。设计全定制ASIC芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由IC厂家去进行掩模制造，做出产品。这种设计方法的优点是芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低，而缺点是开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。半定制ASIC芯片的版图设计方法分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。可编程逻辑芯片与上述掩模ASIC的不同之处在于：设计人员完成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片,无须IC厂家的参与，大大缩短了开发周期。可编程逻辑器件自70年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门/片，它将掩模ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。 第三，EDA系统框架结构EDA系统框架结构(Framework)是一套配置和使用EDA软件包的规范。目前主要的EDA系统都建立了框架结构，如Cadence公司的DesignFramework，Mentor公司的FalconFramework，而且这些框架结构都遵守国际CFI组织制定的统一技术标准。框架结构能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中的信息传输与共享，是并行工程和自顶向下设计方法的实现基础。 EDA技术的基本设计方法EDA技术的每一次进步,都引起了设计层次上的一次飞跃,物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂家完成，对电子工程师没有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。第一，电路级设计电路级设计工作流程：电子工程师接受系统设计任务，首先确定设计方案，并选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，其中包括数字电路的逻辑模拟、故障分析，模拟电路的交直流分析、瞬态分析。在进行系统仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行PCB后分析，其中包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并可将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真。后仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。由此可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生前，就可以全面地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发风险消灭在设计阶段，缩短了开发时间，降低了开发成本。第二，系统级设计进入90年代以来，电子信息类产品的开发明显呈现两个特点：一是产品复杂程度提高；二是产品上市时限紧迫。然而，电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作（包括设计输入、仿真和分析、设计修改等）都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设计方法不能适应新的形势，一种高层次的电子设计方法，也即系统级设计方法，应运而生。高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的方案与概念的构思上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。这样，新的概念就能迅速有效地成为产品，大大缩短了产品的研制周期。不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特性，可以不涉及实现工艺，因此还可以在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网络表，使工艺转化变得轻而易举。首先，工程师按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。其次，输入VHDL代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式（框图，状态图等），这种输入方式具有直观、容易理解的优点。第三步是，将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。第四步是进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性。这一步骤适用大型设计，因为对于大型设计来说，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间。一般情况下，这一仿真步骤可略去。第五步是，利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网络表文件,这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。第六步是，利用产生的网络表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，是较为粗略的。一般的设计，也可略去这一仿真步骤。第七步是利用适配器将综合后的网络表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。第八步是在适配完成后，产生多项设计结果：(1)适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；(2)适配后的仿真模型；(3)器件编程文件。根据适配后的仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延特性），所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就需要修改VHDL源代码或选择不同速度和品质的器件，直至满足设计要求；最后一步是将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，则通过更换相应的厂家综合库，轻易地转由ASIC形式实现。综上所述，EDA技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都有新的EDA工具问世。广大电子工程人员掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竞争与否的关键。21.2.4 EDA的发展趋势第一，.从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PCB制板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员开发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的EDA技术。 在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。有条件的企业可开展“网络制造”，便于合作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。在ASIC和PLD设计方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方面发展。 第二，外设技术与EDA工程相结合的市场前景看好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏幕技术也有所发展。中国自1995年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国。但各国也正在努