874381029基于VHDL语言的水表抄表器的设计论文.doc
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1、龙岩学院毕业论文(设计)题目: 基于VHDL语言的 水表抄表器的设计 专业:电子信息工程 龙岩学院本(专)科毕业论文(设计)开题报告学院:物理与机电工程专业:电子信息工程 课题名称 基于VHDL语言的水表抄表器的设计姓名 学号指导教师职称学历 一、 开展本课题的意义及工作内容:本课题的研究意义: 利用VHDL语言,通过对CPLD或FPGA编程,生成控制电路,显示电路,存储电路,使它们完全集成在一片CPLD或FPGA上。这种设计方法使整个系统更加小型化,大大缩小了体积,易于管理和屏蔽。同时易于做成产品,大规模生产,迅速占领市场,是EDA发展的趋势。但现在CPLD或FPGA价格相对单片机来说偏高,
2、而且现阶段应用并不是很广泛。但是如果做成ASIC,大规模生产,其优势是很明显的。工作内容: 水表抄表器的方案设计 水表抄表器程序的模块化处理 水表抄表器的语言设计 VHDL语言的综合、仿真 二、 课题工作的总体安排及进度:1-3周 开题报告,资料初步搜集。与指导老师沟通。4-5周 方案可行性论证,论文初期撰写,同时与指导老师沟通。6-7周 论文中后期撰写,完成论文初稿;进行系统的实验与仿真,并与指导老师沟通。 8周 系统调试,完成毕业设计和论文修改。与指导老师沟通。 9周 论文定稿并上交毕业论文终稿,及答辩。三、 课题预期达到的效果: FPGA是新型的可编程逻辑器件,能够将大量的逻辑功能集成于
3、一个单个器件中,它所提供的门数从几百门到上百万门,可以满足不同的需要。因此用FPGA来实现抄表器从根本上解决了单片机的先天性限制问题。与以往的抄表器相比,用FPGA实现的抄表器有如下特点:1、集成度高。2、易于升级、换代,灵活适用于各种场合。 3、符合系统芯片(SOC, System On Chip)的发展要求。四、 指导教师意见:签名: 年 月 日不够填写可续页基于VHDL语言的水表抄表器的设计 【摘要】伴随着集成电路(IC)技术的发展,电子设计自动化(EDA)逐渐成为重要的设计手段,已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。EDA的一个重要特征就是使用硬件描述语言(HDL)来完成设计文件
4、。诞生于1982年的VHDL语言是IEEE确认的标准硬件描述语言,在电子设计领域受到了广泛的接受。本课题以Altera公司的FLEXIOK系列产品为载体,在MAX+PLUSII开发环境下采用VHDL语言,设计并实现了水表抄表器。设计采用VHDL的结构描述风格,依据功能将系统分为四个模块,控制模块、计数模块、存储模块和显示模块,每个底层模块采用RTL (Registers TransferLanguage)级描述,整体生成采用MAX+PLUSII的图形输入法。通过波形仿真、下载芯片的测试,完成了抄表器的功能。 【关键词】:VHDL, CPLD/FPGA, MAX十PLUSH,水表抄表器 【ABS
5、TRACT】The Electronic Design Automation (EDA) technology has become an importantdesign method of analog and digital circuit system as the integrated circuitgrowing. One important characteristic of the EDA is one of the standarddescription languages validated by IEEE, which was firstly introduced in 1
6、982.And it was widely used by electronic designer now. Based on the series productsof FLEXIOK developed by Altera Company, the projected design and complete systemof the reading instrument of water meter with VHDL language under the MAX+PLUSI1.The style of construction of VHDL language is adopted in
7、 the design. Accordingto the function the system is separated into four modules, the control module,the counter module, the memory module and the display module. Each bottom moduleis described by RTL (Register Transfer Language) and whole module is completedby the graphic input method of MAX+PLUS. T
8、he function of system is realizedthrough emulating the key waves and testing a chip. 【Key Words】:VHDL, CPLD/ FPGA, MAX+PLUSII, the reading instrument of water meter 目 录 1. 绪论 (1)1.1 电子设计自动化(EDA)发展概述 (1)1.2 EDA的FPGA/CPLD开发 (1)1.3 硬件描述语言(VHDL) (2)1.4 水表抄表器的发展现状及本课题的研究意义 (2) 2. 水表抄表器的方案设计 (3)2.1 水表抄表器的
9、几种方案比较 (3)2.2 用FPGA实现水表抄表器 (4)2.3 水表抄表器的VHDL设计(4) 3. 水表抄表器程序的模块化处理 (5)3.1 控制模块 (6)3.1.1 模块输入、输出 (6)3.1.2 模块流程 (6)3.2计数模块 (7)3.2.1 模块输入、输出 (8)3.2.2 模块流程 (8)3.3 存储模块 (9)3.3.1 模块输入、输出 (9)3.3.2 模块流程 (9)3.4 显示模块 (11)3.4.1 模块输入、输出 (11)3.4.2 模块流程 (11)3.5 抄表器模块构成 (12)3.5.1 抄表器的输入、输出 (12) 3.5.2 抄表器系统说明 (12)
10、4. 水表抄表器的语言设计 (13)4.1 VHDL语言的描述方式 (13)4.2 控制模块的VHDL设计 (14)4.3 计数模块的VHDL设计 (14)4.4 存储模块的VHDL设计 (15)4.5 显示模块的VHDL设计 (16) 4.6 整体设计模块的VHDL描述 (16) 5. VHDL语言的综合、仿真 (17)5.1 综合 (17)5.2系统VHDL描述波形仿真 (17) 5.2.1 控制模块仿真 (17) 5.2.2 计数模块仿真(18) 5.2.3 显示模块仿真(18)结论 (18)致谢 (18)参考文献 (19)附录 1. 绪 论 21世纪人类将全面进入信息化社会,对微电子信
11、息技术和微电子基础技术将不断提出更高的发展要求,微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。而集成电路(IC)技术在微电子领域占有重要的地位。伴随着IC技术的发展,电子设计自动化(Electronic Design Automation, EDA)已经逐渐成为重要设计手段,其广泛应用于模拟与数字电路系统等重要领域。1.1 电子设计自动化(EDA)发展概述1.1.1 EDA的发展历史2电子设计自动化(EDA)是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术,它与电子技术、微电子技术的发展密切相关,吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果,以高性能的计算机作为工作平台,
12、是20世纪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。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成系统硬件功能的描述,在EDA 工具的帮助下和应用相应的FPGA/CPLD器件,就可以得到最后的设计结果。此外,从应用的广度和深度来说,由于电子信息领域的全面数字化,基于EDA的数字系统的设计具有更大的应用市场和更紧迫的需求性。1.1.2 EDA的应用随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展,在涉及工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中,EDA技术的含量正以惊人的速度上升,电子类的高新技术项目的
13、开发也日益依赖于EDA技术的应用。EDA技术将成为电子设计领域中的极其重要的组成部分。电子设计专家认为,单片机时代已经结束,未来将是EDA的时代。随着微电子技术的飞速进步,电子技术的应用以空前规模和速度渗透到各行各业。各行业对自己专用集成电路(ASIC)的设计要求日趋迫切,可编程器件的广泛应用,为各行业的电子系统设计工程师自行开发本行业专用的ASIC提供了技术和物质条件。1.2 EDA的FPGA/CPLD开发3FPGA/CPLD不但包括了MCU的特点,并兼有串、并行工作方式,高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点。1.2.1 FPGA/CPLD简介FPGA/CPLD都是高密度现场可编程
14、逻辑芯片,都能够将大量的逻辑功能集成于一个单片集成电路中,其集成度已发展到现在的几百万门。复杂可编程逻辑CPLD是由PAL或GAL发展而来的。1.2.2 用FPGA/CPLD进行开发的优缺点优点:1、编程方式简便、先进。2、高速。3、高可靠性。4、开发工具和设计语言标准化,开发周期短。5、功能强大,应用广阔。同时,FPGA/CPLD设计方法也有其局限性。这体现在以下几点:1、FPGA/CPLD设计软件一般需要对电路进行逻辑综合优化,以得到易于实现的结果,因此,最终设计和原始设计之间在逻辑实现和时延方面具有一定的差异。2、 FPGA/CPLD的容量和数目都是有限的。3、由于目标系统的PCB板的修
15、改代价很高,用户一般希望能固定引出端分配的前提下对电路进行修改。但在芯片利用率提高,或者芯片v0引出端很多的情况下,微小的修改往往会降低芯片的布通率。4、早期的FPGA芯片不能实现存储器、模拟电路等一些特殊形式的电路。最新的一些FPGA产品集成了通用的RAM结构。但这些结构要么利用率不高,要么不符合设计者的需要。这种矛盾来自于FPGA本身的结构局限性,短期内很难得到好的解决。5、尽管FPGA实现了ASIC设计的硬件仿真,但是由于FPGA和门阵列、等传统ASIC形式的延时不尽相同,在将FPGA设计转向其他ASIC设计时标准单元仍然存在由于延时不匹配造成设计失败的可能性。1.3 硬件描述语言(VH
16、DL)16硬件描述语言(HDL)是相对于一般的计算机软件语言如C而言的。硬件描述语言具有以下几个优点:1、设计技术齐全,方法灵活,支持广泛。2、加快了硬件电路的设计周期,降低了硬件电路的设计难度。3、采用系统早期仿真,在系统设计早期就发现并排除存在的问题。4、语言设计可与工艺技术无关。5、与标准,规范,易于共享和复用。1.3.1 VHDL语言简介在大规模数字系统设计中,VHDL语言将逐步取代如逻辑状态表和逻辑电路等级别较低的繁琐的硬件描述方法,而成为主要的硬件描述语言。1.3.2 VHDL语言设计步骤利用VHDL语言进行设计可分为以下几个步骤:1、设计要求的定义。2、用VHDL语言进行设计描述
17、。3、用VHDL仿真器对VHDL原代码进行功能仿真。4、利用VHDL综合优化软件对VHDL原代码进行综合优化处理。5、配置将综合优化处理后得到的优化了的网络表,安放到前面选定的CPLD或FPGA目标器件之中,这一过程成为配置。6、配置后的时序仿真。7、器件编程。1.3.3 利用VHDL语言开发的优点VHDL语言与其他语言相比有一些自己的优点:1、设计功能强、方法灵活、支持广泛。2、系统硬件描述能力强。3、可以进行与工艺无关编程4、 VHDL语言标准、规范,易于共享和复用。5、方便ASIC移植。1.4 水表抄表器的发展现状及本课题的研究意义1.4.1 水表抄表器的发展现状近年来,随着科学技术的不
18、断发展和人民生活水平的不断提高,“智能化住宅”这一概念正在逐步地被引入到普通住宅小区的建设之中。其中最典型的应用便是自来水表、电表、管道煤气表等三表的集中自动抄表系统。随着人们生活水平的不断提高和生活节奏的日益加快,现代家庭中的煤气、电、水费的核算和收缴工作日益成为一种负担。传统的计量器采用各自独立的感应式计量表,这种抄表器有很多弊端,诸如必须逐门入户抄表,收费困难,易造成漏抄、误抄或多抄,需投入大量的抄表统计人员,而且存在抄表效率低、速度慢、成本高等问题。不仅工作量大、数据统计麻烦,而且容易出错,费用收缴工作也极其麻烦。本设计的抄表系统,它可把多用户的水量用量集中记录在一部表中,而且采用多用
19、户联网的形式,进行集中抄写,数据统计简单,费用收缴周期可以大幅度的缩减。它对用户水、电、气等量的自动计费、收费联网,状态报警提示和防止用户使用非法手段窃水、窃电等功能于一体,是适应管理现代化的最佳计量器具之一。由此设计了一套远传抄表系统。由于它们的出现既方便了广大用户,又大大减轻了抄表员的工作量,同时由于计量精确,因而己具有成为该领域中主流技术的趋势。抄表系统基本工作原理:利用电子技术和传感技术,对传统电表、水表、气表加以改进,使其成为远传表,在户外装一套计量系统,将每一个计量表传感器传出的数据,送到每个表的采集器存储,经过函数变换送到智能电路单元,各单元通过数据总线并联,在数据总线上任何一点
20、皆可以与计算机通讯,自动抄收三表数据。系统包括远传检测表头、数据抄表器、上位控制器等三个部分。(1)远传检测表头:通过对现有电表、水表、煤气表加装传感器,使其既能就地显示计量数据,又能产生相关计量脉冲信号的新型计量表具。传感器实质上是一种基于磁电转换技术或光电转换技术的脉冲发生电路单元。远传检测表头均为机械转盘式,将磁感应探头装在检测表头的某一刻度上,并通过磁屏蔽防止外界磁场的干扰后,便将一台一次表改制成远传检测表头。转轴的圈数通过探头组件的输出端送到数据采集器,该数据通过一定的倍率计算便成为最终的计量数据。例如,在现有转盘计数的水表中加装霍尔元件和磁铁,即可构成基于磁电转换技术的传感器,霍尔
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