【正文】 基于 CPLD的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 題 目 基于 CPLD 的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 一、 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù) 課題內(nèi)容 現(xiàn)代電子產(chǎn)品正在以前所未有的革新速度，向著功能多樣化、體積最小化、功耗最低化的方向迅速發(fā)展， EDA 技術(shù)正是為了適應(yīng)現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計的要求，吸收多學(xué)科最新成果而形成的一門新技術(shù)。采用 EDA 技術(shù)進(jìn)行電子設(shè)計，可使整個系統(tǒng)大部分集成在一個芯片上，從而達(dá)到體積小、功耗低、系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。 本課題要求以可編程邏輯器件 CPLD為基礎(chǔ)，運(yùn)用 VHDL語言和 EDA設(shè)計軟件 (MAX+PlusⅡ )設(shè)計 制作智能數(shù)字溫度 檢測系統(tǒng) 的專用集成芯片，結(jié)合 A/D 轉(zhuǎn)換芯片、 LED數(shù)碼管構(gòu)成一個數(shù)字檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測和時間的顯示。 基于 CPLD的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 課題任務(wù)要求 1. 熟悉電子設(shè)計相關(guān)應(yīng)用軟件的使用 2. 學(xué)習(xí)傳感器的應(yīng)用和選型 3. 掌握利用 EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計 4. 以可編程邏輯器件 CPLD為基礎(chǔ) ,運(yùn)用 VHDL語言完成多功能數(shù)字溫度表的設(shè)計 ,使其實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測和時間的顯示 5. 結(jié)合 EDA設(shè)計軟件 (MAX PLUSⅡ )完成系統(tǒng)的仿真與調(diào)試 課題完成后應(yīng)提交的資料（或圖表、設(shè)計圖紙） 1．畢業(yè)設(shè)計論文，含： 1） 中英文摘要，外文翻譯文獻(xiàn) 2） 設(shè)計原理介紹 3） 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計 4） 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計 2．畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書，畢業(yè)設(shè)計開題報告，畢業(yè)設(shè)計日志 基于 CPLD的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 主要參考文獻(xiàn)與外文翻譯文件（由指導(dǎo)教師選定） [1]包明，趙明富，陳渝光． EDA技術(shù)與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計 [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2020 [2]王道憲，賀名臣，劉偉． VHDL 電路設(shè)計技術(shù) [M]．北京：國防工業(yè)出版社， 2020 [3]林敏 ,方穎立 .VHDL 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與高層次綜合 [M]．西安：電子工業(yè)出版社， 2020 [4]徐志軍，徐光輝． CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用 [M]．西安：電子工業(yè)出版 社， 2020 [5]王金明 .楊吉斌 .數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與 Verilog HDL[M]. 北京：國防工業(yè)出版社 . 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P135142（翻譯文章） 同組設(shè)計者 注： 1. 此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫。如不夠填寫，可另加頁。 2. 此任務(wù)書最遲必須在畢業(yè)設(shè)計（論文）開始前一周下達(dá)給學(xué)生。 3. 此任務(wù)書可從教務(wù)處網(wǎng)頁表格下載區(qū)下載 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告 題目 ： 基于 CPLD 的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 基于 CPLD的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 一、本課題設(shè)計（研究）的目的： 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和自動化程度的不斷提高，迫切需要對各種生產(chǎn)過程的物理量進(jìn)行精確檢測。溫度，作為大多數(shù)生產(chǎn)過程中的重要物理量，對它們的精確測量越來越受到人們的重視。本課題以可編程 邏輯器件 CPLD 為基礎(chǔ)，運(yùn)用 VHDL 語言和 EDA 設(shè)計軟件 (MAX+PlusⅡ )設(shè)計制作智能數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)的專用集成芯片，結(jié)合 A/D 轉(zhuǎn)換芯片、 LED 數(shù)碼管構(gòu)成一個數(shù)字檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測并且同時顯示時間，另外還帶有一個蜂鳴器作為鬧鈴。 該溫度檢測系統(tǒng)既有 高精度，高穩(wěn)定性、 抗干擾性強(qiáng) , 應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，又提高了測量的自動化水平，同時具有較高的性價比。 因此，本設(shè)計的溫度測量儀表具有較高的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。 二、設(shè)計（研究）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（文獻(xiàn)綜述）： 隨著 VLSI的發(fā)展，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的 結(jié)合， 片上器件的尺寸 的 縮減，金屬層數(shù)目則繼續(xù)增加 的條件下， 都有利于 CPLD/FPGA在市場上的普及 ，并推動應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計走向 SOC設(shè)計。 VHDL作為 IEEE標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言和 EDA的重要組成部分，在電子設(shè)計的存檔、程序模塊的移植、 ASIC設(shè)計源程序的交付，IP核的應(yīng)用等方面擔(dān)任著不可或缺的角色。再加上 因特網(wǎng)發(fā)展的趨勢也有利于 其發(fā)展 ，所有這些門電路能用許多線快速輕松地連接起來，有助于加速芯片實(shí)現(xiàn)過程并增強(qiáng)性能 [1]。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，現(xiàn)場可編程器件（ FPGA和 CPLD）的使用 越來越廣泛。與此同時，基于大規(guī)模可編程邏輯器件的 EDA（電子設(shè)計自動化）硬件解決方案也被廣泛采用。一般地說， EDA解決方案均采用計算機(jī)自頂向下的設(shè)計方式：在底層設(shè)計時對邏輯進(jìn)行必要的描述，并依賴特定的軟件執(zhí)行邏輯優(yōu)化 （ logic optimization） 與器件映射 （ device mapping） ，最后再使用由各芯片生產(chǎn)廠商提供的編譯器執(zhí)行布線 （ route） 和網(wǎng)單優(yōu)化 （ list optimization） 。雖然對于簡單的邏輯，采用原始邏輯圖或布爾方程輸入可以獲得非常有效的結(jié)果，但對于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng) 用以上兩種方案就很容易產(chǎn)生錯誤，而必須依靠一種高層的邏輯輸入方式，這樣就產(chǎn)生了硬件描述語言 HDL（ hardware description language） ，其中符合 IEEE1076標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL的應(yīng)用成為新一代 EDA解決方案中的首選。因此， VHDL的應(yīng)用必將成為當(dāng)前以及未來 基于 CPLD的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 EDA解決方案的核心，更是整個電子邏輯系統(tǒng)設(shè)計的核心 [3]。 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）誕生于 1982 年。 1987 年底 ， VHDL 被 IEEE 和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言 。這種語的成就有兩個方面：描述復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)和成為國際的硬件描述語言標(biāo)準(zhǔn)。 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口，是一種快速的電路設(shè)計工具，功能涵蓋了電路描述，電路合成，電路仿真等三大電路設(shè)計工作。它用于設(shè)計復(fù)雜的、多層次的設(shè)計。支持設(shè)計庫和設(shè)計的重復(fù)使用，與硬件獨(dú)立，一個設(shè)計可用于不同的硬件結(jié)構(gòu)，而且設(shè)計時不必了解過多的硬件細(xì)節(jié)。有豐富的軟件支持 VHDL 的綜合和仿真，從而能在設(shè)計階段就能發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的 Bug，縮短設(shè)計時間，降低成本。更 方便地向 ASIC 過渡 。 VHDL 有良好的可讀性，容易理解，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。在新的世紀(jì)中， VHDL 語言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。 VHDL 是為了滿足邏輯設(shè)計過程中的各種需求而設(shè)計的。首先，它可以用來描述邏輯設(shè)計的結(jié)構(gòu)，比如邏輯設(shè)計中有多少個子邏輯，而這些子邏輯又是如何連接的。除此之外， VHDL 并不十分關(guān)心一個具體邏輯是靠何種方式實(shí)現(xiàn)的，而是把開發(fā)者的精力集中到邏輯所實(shí)現(xiàn)的功能上。其二， VHDL 采用類似高級語言的語句格式完成對硬件行為的描述，這也是為什么我們把 VHDL 稱為 “編程語言 ”的原因。 最后， VHDL 所給出的邏輯的模擬與調(diào)試為設(shè)計工作提供了最大的空間，用戶甚至不必編寫任何測試向量便可以進(jìn)行源代碼級的調(diào)試。而且，設(shè)計者可以非常方便地比較各種方案之間的可行性及其優(yōu)劣，而不需做任何實(shí)際的電路實(shí)驗(yàn) [4]。 現(xiàn)在在國內(nèi)對于溫度的檢測技術(shù)還沒達(dá)到最高端的水平，對于檢測到的溫度還不是很精確，而其最重要的地方還是傳感器的工藝水平有限。在采用熱電偶，金屬測溫電阻， 集成溫度傳感器 三種不同傳感器時，只有使用 集成溫度傳感器 才能達(dá)到最佳的效果。在應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境下，采用較多的還是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的 。 單片機(jī)設(shè)計的溫度檢測電路已經(jīng)達(dá)到頂端的水平，很難有更進(jìn)一步的潛力來開拓出新的功能，而且單片機(jī)有它自己一定的局限性。在其使用方面也到了一定的瓶頸，完全沒有 CPLD來設(shè)計的靈巧 。 在國內(nèi)外現(xiàn)有的電阻式數(shù)字溫度表，一般采用電橋?qū)㈦娮柁D(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)適當(dāng)放大后，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器變成溫度的數(shù)字信號。由于電橋輸出與溫度并非 基于 CPLD的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 線性關(guān)系，放大環(huán)節(jié)還需進(jìn)行線性化修正。這種方式電路復(fù)雜，成本高，同時還須精密恒壓源輔助作用。另外，現(xiàn)今很多數(shù)字溫度計都是用單片機(jī)設(shè)計的。用我們的 CPLD 制作的溫度計與其它實(shí)現(xiàn)方法如單片機(jī)相比，它將 單片機(jī)用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的硬件電路以軟件的形式下載到芯片中，例如單片機(jī)要用兩級運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)乘與減的運(yùn)算，而用 CPLD 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)只用 VHDL 語言在芯片內(nèi)部編程即可，降低了系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度。而且， CPLD 在設(shè)計過程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真，以確保設(shè)計的正確性。 隨著世界上對溫度的測量和控制方法已經(jīng)比較成熟與 EDA 技術(shù)的廣泛應(yīng)用。 CPLD 具有非揮發(fā)特性，可以重復(fù)寫入并在粘合邏輯、地址譯碼、簡單控制、FPGA 加載等設(shè)計中有廣泛應(yīng)用 。其硬件描述語言決定系統(tǒng)功能使的溫度檢測電路具有較好的靈活性和適應(yīng)性。同時可以讓電路不 改變的情況下最大性度的擴(kuò)展硬件。 三、設(shè)計（研究）的重點(diǎn)與難點(diǎn)，擬采用的途徑（研究手段）： 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 , 溫度是一個重要的控制參數(shù)。目前已有的溫度自動控制系統(tǒng) , 大都是以單片機(jī)為核心 , 存在著系統(tǒng)硬件電路比較復(fù)雜、外圍分離元件較多等問題。隨著 EDA 技術(shù)的發(fā)展 , 基于可編程邏輯器件的電路設(shè)計簡單方便，應(yīng)用越來越廣。本文設(shè)計了一個以 CPLD 可編程邏輯器件為核心的溫度控制系統(tǒng) , 該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣控制以及功率調(diào)整均由 CPLD 實(shí)現(xiàn)。 把該電路分為 4 大模塊： （ 1）接受模塊，傳感器接受外界的環(huán)境溫度， 并把其傳送到 A/D 轉(zhuǎn)換器 (2)控制模塊 ,激活 A /D 轉(zhuǎn)換器動作、接收 A /D 轉(zhuǎn)換器傳遞過來的數(shù)字轉(zhuǎn)換值 。 (3)數(shù)據(jù)處理模塊 ,將接收到的轉(zhuǎn)換值調(diào)整成對應(yīng)的數(shù)字信號，并送到 CPLD以待運(yùn)算和處理 。 (4)顯示模塊 ,產(chǎn)生數(shù)碼管的片選信號 ,并將數(shù)值處理模塊輸出的 BCD 碼譯成相應(yīng)的 7 段數(shù)碼驅(qū)動值。 基于 CPLD的多功能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計 對每一個模塊進(jìn)行分析和論證，溫度傳感器的選擇和其電路的分析都要有一個具體的說明。對 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇也要有個具體的論證和分析，對其工作的原理以及電路也要有個說明。顯示電路采用 BCD 碼的方式，用 7 段譯碼器來顯示都要有具體 的方案。 至于軟件方面，程序的編寫均采用 VHDL 語言，這樣有比較好的統(tǒng)一。 此設(shè)計方案中的重點(diǎn)是 : 1. A/D 轉(zhuǎn)換器的方案設(shè)置 2. 數(shù)字信號 的裝換 3. 放大器參數(shù)選擇 此設(shè)計方案中的難點(diǎn)是： 1. 硬件電路的設(shè)計 2. CPLD 控制模塊的軟件實(shí)現(xiàn) 四、設(shè)計（研究）進(jìn)度計劃： 1. 收集相關(guān)資料，分析消化資料。（ 46 周） 2. 方案比較與論證，確定最優(yōu)方案。（ 78 周） 3. 設(shè)計編寫子程序及主程序 （ 912 周） 4. 測試方案可行性及計算機(jī)仿真結(jié)果。（ 1314 周） 5. 編寫設(shè)計說明書。（ 1516 周） 6. 畢業(yè)答辯。（ 17 周） 基于 CPLD 的多功能溫 度檢測系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和自動化程度的不斷提高，迫切需要對各種生產(chǎn)過程的物理量進(jìn)行精確檢測。溫度，作為大多數(shù)生產(chǎn)過程中的重要物理量，對它們的精確測量越來越受到人們的重視。 本文以 Ahe