1 引言
    目前計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)主要有軟件、硬件電路搭建和EDA技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)等多種方式。其中，EDA技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)方式由于具有軟件的靈活性和接近硬件電路計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率而應(yīng)用廣泛。但對于位寬8 bit以上，模式較復(fù)雜的計(jì)數(shù)器采用EDA技術(shù)編程、調(diào)試卻非常繁瑣。Altera公司考慮到工程上的具體應(yīng)用，增加MAX+plus II設(shè)計(jì)軟件的靈活性，設(shè)置LPM(Librarv of Parameterized Moclules)元件庫供設(shè)計(jì)人員使用。該庫包含一些常用功能模塊所生成的元件，其元件引腳和參數(shù)由用戶直接指定，可適應(yīng)不同設(shè)計(jì)需要(如利用LPM元件庫中的lpm_counter元件設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器)。使用LPM元件庫優(yōu)點(diǎn)如下：(1)LPM設(shè)計(jì)的電路與結(jié)構(gòu)無關(guān)；(2)設(shè)計(jì)人員利用LPM設(shè)計(jì)時(shí)，不用擔(dān)心芯片利用率和效率等問題，無需自行設(shè)計(jì)基本的標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元來構(gòu)造某種功能，直到設(shè)計(jì)結(jié)束，設(shè)計(jì)人員都無需考慮其最終結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)輸入和模擬仿真獨(dú)立于物理結(jié)構(gòu)。作為EDIF(電子設(shè)計(jì)交換格式)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，LPM得到EDA界的廣泛支持。

2 lpm_counter元件介紹
    lpm_counter是LPM元件庫的可調(diào)參數(shù)計(jì)數(shù)器元件，其最大計(jì)數(shù)位寬為32 bit，最小計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期達(dá)8 ns(125 MHz，使用EPM7032LC44-6實(shí)現(xiàn))；實(shí)現(xiàn)加、減或可逆計(jì)數(shù)；同步或異步清零/置數(shù)功能可選；通過參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制、輸出位寬不超過32 bit的加、減或可逆同步／異步計(jì)數(shù)器。
2．1 引腳及功能描述
    1pm_counter元件的引腳端中，只有時(shí)鐘端是必選的，需要外界提供計(jì)數(shù)信號；其他引腳端都為可選，當(dāng)這些引腳端未選中時(shí)，其值為缺省值，引腳在計(jì)數(shù)器圖形符號中不顯示。
    各引腳端功能描述如下：
    data[]：數(shù)據(jù)輸入總線端，輸入信號位寬由LPM_WIDTH決定，用于異步或同步置數(shù)。
    clock：時(shí)鐘端，上升沿觸發(fā)。
    clk_en：時(shí)鐘信號輸入允許端；缺省值為“1”(允許)。
    cnt_en：計(jì)數(shù)允許端，缺省值為“1”(允許)。在同步置數(shù)、同步輸入設(shè)置或同步清零時(shí)為“0”(禁止)。
    updown：計(jì)數(shù)方向控制端，缺省值為“l(fā)”(加計(jì)數(shù))。若選擇“LPM_DIRECTION”參數(shù)，則該引腳端禁止使用。
    cin：低位進(jìn)位端，若省略，其缺省值為“0”。
    aclr：異步清零端，缺省值為“0”(禁止)。如果同時(shí)輸入異步清零和異步輸入設(shè)置信號，則異步清零信號有效，屏蔽異步輸入設(shè)置信號。
    aset：異步輸入設(shè)置端，缺省值為“0”(禁止)。當(dāng)aset端輸入“1”時(shí)，q[]輸出全“1”或?yàn)椤癓PM_AVALUE”指定值。
    aload：異步置數(shù)端，缺省值為“O”(禁止)。若選用“異步置數(shù)”端，必須連接“data[]”端。該aload端可置入計(jì)數(shù)初始值。
    sclr：同步清零端，缺省值為“O”(禁止)。如果同時(shí)輸入同步清零和同步輸入設(shè)置信號，則同步清零信號有效，屏蔽同步輸入設(shè)置信號。
    sset：同步輸入設(shè)置端，缺省值為“0”(禁止)。當(dāng)sset端輸入“1”時(shí)，q[]輸出全“l(fā)”或?yàn)椤癓PM_SVALUE”指定值。
    sload：同步置數(shù)端，缺省值為“O”(禁止)。若選用“同步置數(shù)”端，必須連接“dat[]”端。該sload端可置入計(jì)數(shù)初始值。
    q[]：計(jì)數(shù)值輸出端，輸出位寬由“LPM_WIDTH”決定。
    eq[15．．0]：輸出端，計(jì)數(shù)器模值必須小于16。當(dāng)計(jì)數(shù)值為c時(shí)，則輸出端eq[c]為1(高電平)。例如：當(dāng)計(jì)數(shù)值c=0時(shí)，則輸出端eq[0]=l；當(dāng)計(jì)數(shù)值c=1時(shí)，則輸出端eq[1]=1；……。
    cout:進(jìn)位端。
2．2 參數(shù)及功能
    lpm_counter元件參數(shù)中LPM_WIDTH參數(shù)是必選項(xiàng)．其他參數(shù)為可選項(xiàng)。各參數(shù)的功能說明如下：
    LPM_WIDTH(計(jì)數(shù)位寬)：該參數(shù)最大取值為32。它決定計(jì)數(shù)器置數(shù)端(data[])和輸出端(q[])的位寬；決定LPM_MODULUS的最大取值(2 LPM_WIDTH)。若LPM_MODULUS參數(shù)取值大于2 LPM_WIDTH，則計(jì)數(shù)器不能正常工作。
    LPM_DIRECTION(計(jì)數(shù)方向)：有“UP”，“DOWN”和“UNUSED”3種取值。如果使用LPM_DIRECTION參數(shù)，則updown端不連接，其參數(shù)默認(rèn)值為“UP”。
    LPM_MODULUS(計(jì)數(shù)模數(shù))：該參數(shù)決定計(jì)數(shù)器的進(jìn)制：如果該參數(shù)不設(shè)置，則其缺省值為二進(jìn)制，且其最大計(jì)數(shù)值為2 LPM_WIDTH；如果aload(或sload、asel、sset)所置數(shù)值比LPM_MODULUS參數(shù)大，則計(jì)數(shù)值出錯(cuò)。
    LPM_AVALUE(異步計(jì)數(shù)初值)：如果aset=1，則該計(jì)數(shù)初值被加載。如果該指定值比LPM_MODULUS大，則計(jì)數(shù)器輸出值出錯(cuò)。
    LPM_SVALUE(同步計(jì)數(shù)初值)：如果sset=1，則該計(jì)數(shù)初值被加載。如果該指定值比LPM_MODULUS大，則計(jì)數(shù)器輸出值出錯(cuò)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例
    某型帶峰谷費(fèi)率設(shè)置的數(shù)字電能表要安裝一實(shí)時(shí)鐘模塊，實(shí)現(xiàn)日、時(shí)、分、秒等計(jì)時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段用戶所耗電能以不同費(fèi)率計(jì)費(fèi)。圖l為該電能表計(jì)時(shí)模塊原理框圖。

    由于日、時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)除計(jì)數(shù)進(jìn)制不同外，其他部分完全一樣，因此圖1中僅給出秒計(jì)數(shù)電路部分。本設(shè)計(jì)實(shí)例以其中的秒脈沖計(jì)數(shù)器為例，以lpm_counter元件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)可異步清零、可置數(shù)的60進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器．說明采用lpm_counter元件設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方法。
3．1 調(diào)入lpm_counter元件
    首先打開MAX+plus II軟件，然后建立圖形輸入文件“S_count60．gdf”，在圖形編輯器的空白處雙擊鼠標(biāo)左鍵，打開元件輸入對話框。在對話框的Symbol Libraries窗口中雙擊X：maxplus2max21ibmega_lpm(X為MAX+plus II軟件所在盤的盤符)；在Symbol Files窗口中雙擊lpm_counter，得到LPM_COUNTER元件。
3．2 參數(shù)設(shè)置
    從mega_lpm元件庫調(diào)入的LPM_COUNTER元件，其缺省狀態(tài)為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求對其設(shè)置，得到符合設(shè)計(jì)要求的計(jì)數(shù)器。LPM_COUNTER元件的設(shè)置包括參數(shù)設(shè)置和引腳端設(shè)置兩部分，下面分別加以說明：
    (1)參數(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)一個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，必須設(shè)置LPM_WIDTH(計(jì)數(shù)位寬)和LPM_MODULUS(計(jì)數(shù)模數(shù))兩個(gè)參數(shù)，LPM_MODULUS=60；又因?yàn)長PM_MODULUS必須小于2 LPM_WIDTH，因此必需滿足LPM_WIDTH≥6，這里設(shè)置LPM_WIDTH=6。如果通過總線置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值，則其他參數(shù)可不設(shè)置。
    (2)引腳端設(shè)置 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該計(jì)數(shù)器為可異步清零、可置數(shù)60進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，因此對外連接的引腳端應(yīng)包括：clock、clk_en、data[]、aclr、aload、q[]端和進(jìn)位端cout。此處data[]和q[]端位寬由LPM_WIDTH(計(jì)數(shù)位寬)參數(shù)決定。
    (3)操作步驟在Symbol Files窗口中雙擊lpm_counter在得到LPM_COtINTER元件的同時(shí)，將打開如圖2所示的參數(shù)設(shè)置對話框。

    在對話框中的“Ports”區(qū)的“Name”窗口中選中所需引腳端，然后在“Port Status”區(qū)選擇“Used”，重復(fù)上述過程，直到所需的引腳端全部設(shè)置完畢。在對話框中的“Parameters”區(qū)的“Name”窗口中選中需要設(shè)置的參數(shù)。然后在“ParametersValue”編輯窗口中填入相應(yīng)的參數(shù)值，單擊按鈕“Change”，即可完成該參數(shù)的設(shè)置；重復(fù)上述過程，直到所需參數(shù)全部設(shè)置完畢，點(diǎn)擊“OK”，退出LPM元件參數(shù)設(shè)置對話框。以上設(shè)置完成后，就可按常規(guī)圖形輸入方式給元件添加輸入、輸出引腳，并對引腳命名，從而完成整個(gè)設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后的電路如圖3所示。

3．3 仿真測試
    對上述電路進(jìn)行波形仿真，得到圖4所示的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可看出，該計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制加計(jì)數(shù)、清零和置數(shù)功能，進(jìn)位脈沖正常。并將其下載到FPGA器件進(jìn)行測試，各控制端功能正常，計(jì)數(shù)器運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3．4 方案實(shí)現(xiàn)
    采用上述方法分別設(shè)計(jì)出秒、分、時(shí)、日計(jì)數(shù)器及秒脈沖形成分頻器。該分頻器對系統(tǒng)時(shí)鐘11．059 2 MHz脈沖進(jìn)行分頻，從而形成秒脈沖。通過對這些計(jì)數(shù)器進(jìn)行組合，共同構(gòu)成完整的實(shí)時(shí)鐘模塊。該模塊清零、校時(shí)等功能由上位機(jī)通過RS485總線對其控制實(shí)現(xiàn)。通過裝機(jī)運(yùn)行，測得月誤差在27 s內(nèi)，達(dá)到較高的計(jì)時(shí)精度。

4 結(jié)束語
    由于MAX+plus II設(shè)計(jì)軟件的mega_lpm元件庫(可調(diào)參數(shù)元件)所提供的庫元件都經(jīng)Ahera公司的測試和優(yōu)化．可保證元件的邏輯穩(wěn)定性，保證可編程器件的芯片利用率及效率達(dá)到最優(yōu)。因此使用LPM庫元件設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器電路時(shí)，可使設(shè)計(jì)人員擺脫硬件電路的束縛以及避免軟件編程、調(diào)試等煩瑣細(xì)節(jié)問題，從而系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大提高設(shè)計(jì)效率。