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自動化畢業論文開題報告

時間:2020-09-14 15:41:13 自動化畢業論文 我要投稿

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  基于FPGA的數字電壓計的設計

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  1 課題設計的目的和意義

  傳統的數字電壓計設計通常以大規模ASIC(專用集成電路)為核心器件,并輔以少量中規模集成電路及顯示器件構成。ASIC完成從模擬量的輸入到數字量的輸出,是數字電壓表的心臟。這種電壓計的設計簡單、精確度高,但是這種設計方法由于采用了ASIC器件使得它欠缺靈活性,其系統功能固定,難以更新擴展。后來發展起來的用微處理器(單片機)控制通用A/D轉換器件的數字電壓計的設計的靈活性明顯提高,系統功能的擴展變得簡單,但是由于微處理器的引腳數量有限,其控制轉換速度和靈活性還是不能滿足日益發展的電子工業的需求。而應用EDA(電子設計自動化)技術及FPGA(現場可編程門陣列),其集成度高、速度快、性能十分可靠、用戶可自由編程且編程語言通俗易懂、系統功能擴展非常方便。采用FPGA芯片控制通用A/D轉換器可使速度、靈活性大大優于由微處理器和通用A/D轉換器構成的數字電壓計。

  數字電壓計的高速發展,使它已成為實現測量自動化、提高工作效率不可缺少的儀表,數字化是當前計量儀器發展的主要方向之一,數字電壓計已經進入了精密標準測量領域。這個課題的目的和意義在于使自己掌握對數字電壓表的理解,自己動手設計數字電壓計并進行系統仿真。

  現代電子設計技術的核心為EDA技術。EDA技術就是依靠功能強大的計算機,在EDA工具軟件平臺上,對以硬件描述語言VHDL為系統邏輯描述手段完成的設計文件,自動的完成邏輯編譯,邏輯化簡,邏輯分割,邏輯綜合,結構綜合,以及邏輯優化和仿真測試,直至顯示既定的電子線路系統功能。

  2 課題設計的主要內容

  2.1 數字電壓計

  采用EDA(電子設計自動化)技術和FPGA(現場可編程門陣列)芯片設計數字電壓計。整個設計采用VHDL語言,由ADC0809轉換控制模塊、數據轉換模塊、譯碼模塊和顯示模塊組成。并在MAX+PLUS Ⅱ下進行軟件編程實現正確的工作時序后,將編譯結果下載到FPGA芯片上生成SoC(片上系統)。

  2.2 FPGA

  現場可編程門陣列FPGA是一種新型的高密度PLD,采用CMOS-SRAM工藝制作。FPGA的結構一般分為三部分:可編程邏輯塊,可編程I/O模塊和可編程內部連線。配置數據可以存儲在計算機上,設計人員可以控制加載過程,在現場修改器件的邏輯功能,即所謂現場可編程。

  2.3 ADC0809轉換器

  ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模數轉換的器件。其內部有一個8通道多路開關,它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號,只選通8路模擬輸入信號中的'一個進行A/D轉換。

  2.4 VHDL語言程序

  VHDL主要用于描述數字系統的結構,行為,功能和接口。VHDL的程序結構特點是將一項工程設計,或稱設計實體(可以是一個元件,一個電路模塊或一個系統)分成外部(或稱可視部分)和內部(或稱不可視部分),即涉及實體的內部功能和算法完成部分。

  狀態機是一類很重要的時序電路,是許多數字電路的核心部件。除了輸入信號、輸出信號外,狀態機還包括一組寄存器,它用于記憶狀態機的內部狀態。狀態機寄存器的下一個狀態及輸出,不僅同輸入信號有關,而且還于寄存器當前狀態有關。

  3 設計方案

  3.1 硬件設計部分

  3.1.1 硬件電路設計

  硬件電路包括模數轉換電路,控制電路和顯示電路。

  3.1.2 FPGA功能模塊設計

  (1)A/D轉換的控制模塊設計

  采用Altera公司EP1K30TC144-3 FPGA芯片作為系統的核心器件,負責ADC0809的A/D轉換的啟動、地址鎖存、輸入通道選擇、數據讀取。主要采用VHDL的多進程狀態機完成。

  (2)數據轉換模塊設計

  本設計采用5 V參考電壓,測量范圍為0~5 V,由于轉換器為8位,則電壓的最小分辨率為0.02V,通過編寫查表程序,對電壓進行BCD編碼,將8位二進制數轉換為BCD碼。

  (3) 顯示模塊設計

  本模塊的任務是把數據處理模塊處理得到的BCD碼轉換成能被顯示器識別的字型編碼。8位二進制數轉換成BCD碼后為12位,因此需3個七段顯示器顯示結果。為了節省資源,采用掃描方式控制顯示器的顯示,掃描時鐘由CLK提供,其頻率應大于100 Hz,否則會有閃爍現象。

  3.2 軟件測試部分

  選EP1K30TC144-3為目標器件并進行引腳鎖定后,將程序下載到目標配置器件。先對ADC0809進行初始化,改變其模擬通道輸入電壓。采樣電路對電壓進行采樣后,FPGA控制ADC0809對信號進行模數轉化,然后將二進制數轉換為BCD碼,最后通過譯碼程序將結果顯示在七段顯示器上。在實驗過程中,需要反復的調試每個模塊的功能,使的整個系統完成正確的測量和顯示電壓功能。

  4 實施計劃

  (1)1-4周 查閱資料,撰寫開題報告,翻譯外文資料。

  (2)4周 開題報告答辯。

  (3)5-10周 進行畢業設計的理論研究、方案設計、軟硬件設計、工藝設計、實驗測試等。

  (4)11周 中期檢查

  (5)11-13周 撰寫畢業設計論文并完成初槁

  (6)14-15周 指導教師檢查、批改論文;學生修改論文,定稿。

  (7)15周 畢業設計答辯資格審查。

  (8)16周 畢業設計答辯。

  5 主要參考文獻

  [1] 謝淑如.Protel PCB 99 SE電路板設計.北京:清華大學出版社,2001.

  [2] 褚振勇.FPGA設計及應用.西安:西安電子科技大學出版社,2003.

  [3] 陳耀和.VHDL語言設計技術.北京:電子工業出版社,2004.

  [4] 康華光.電子技術基礎(模擬部分).北京:高等教育出版社,2001.

  [5] G.. Desquilbet, C. Foucher, and P. Fauquembergue, Statistical Analysis of Voltage Dips, Amsterdam, The Netherlands, PQA-94.

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