【正文】 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(jì)技術(shù) [M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2020 [3]林敏 ,方穎立 .VHDL 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)與 Verilog HDL[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社 . [6]劉亮 .先進(jìn)傳感器及其應(yīng)用 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2020. [7]廖裕評(píng)，陸瑞強(qiáng)． CPLD 數(shù)字電路設(shè)計(jì) [M]．北京：清華大學(xué)出版社， 2020 [8]李季 .信號(hào)發(fā)生器發(fā)展淺析 [J].電子產(chǎn)品世界， 2020， 10， :65～ 75 [9]Digital Sytstem Design with VHDL[M] .Mark House of Electronics industry2020 [10]Reliability Processing Of The Circuits In CPLD Design[J]. Shaohui Cui, Zhensheng Feng Ordnance Engineering College2020,10 [11]王毅平 .張振榮 .VHDL 編程與仿真 [M]. 西安：電子工業(yè)出版社 [12]FPGA Power Reduction Using Configurable DualVdd. Fei Li,Yan Lin and Lei He. 2020 ACM 1581138288/04/ 2020,p735740 [13]高鵬，安濤，寇懷成． PROTEL99 入門與提高 [M]．北京：人民郵電出版社， 2020 [14] A Temperature Controlled CMOS Camera. S G P Harvey and J L B228。 基于 CPLD的多功能溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 題 目 基于 CPLD 的多功能溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)的要求，吸收多學(xué)科最新成果而形成的一門新技術(shù)。hrDepartment of Physics, University of Otago, PO Box 56 , Dunedin, New Zealand. P135142（翻譯文章） 同組設(shè)計(jì)者 注： 1. 此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫。溫度，作為大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程中的重要物理量，對(duì)它們的精確測(cè)量越來(lái)越受到人們的重視。 二、設(shè)計(jì)（研究）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)（文獻(xiàn)綜述）： 隨著 VLSI的發(fā)展，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)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(chǎng)上的普及 ，并推動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)走向 SOC設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，基于大規(guī)模可編程邏輯器件的 EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）硬件解決方案也被廣泛采用。 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）誕生于 1982 年。它用于設(shè)計(jì)復(fù)雜的、多層次的設(shè)計(jì)。 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(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語(yǔ)言。除此之外， VHDL 并不十分關(guān)心一個(gè)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。 現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)對(duì)于溫度的檢測(cè)技術(shù)還沒(méi)達(dá)到最高端的水平，對(duì)于檢測(cè)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。在其使用方面也到了一定的瓶頸，完全沒(méi)有 CPLD來(lái)設(shè)計(jì)的靈巧 。另外，現(xiàn)今很多數(shù)字溫度計(jì)都是用單片機(jī)設(shè)計(jì)的。 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(jiǎn)單控制、FPGA 加載等設(shè)計(jì)中有廣泛應(yīng)用 。目前已有的溫度自動(dòng)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(wèn)題。 (3)數(shù)據(jù)處理模塊 ,將接收到的轉(zhuǎn)換值調(diào)整成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并送到 CPLD以待運(yùn)算和處理 。顯示電路采用 BCD 碼的方式，用 7 段譯碼器來(lái)顯示都要有具體 的方案。（ 78 周） 3. 設(shè)計(jì)編寫子程序及主程序 （ 912 周） 4. 測(cè)試方案可行性及計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。溫度，作為大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程中的重要物理量，對(duì)它們的精確測(cè)量越來(lái)越受到人們的重視。 因此，本設(shè)計(jì)的溫 度測(cè)量?jī)x表具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。 采用 EDA技術(shù)進(jìn)行電子設(shè)計(jì)，可使整個(gè)系統(tǒng)大部分集成在一個(gè)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)。 課題研究的背景及意義 可編程邏輯設(shè)計(jì)是近年來(lái)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中出現(xiàn)的一門新技術(shù)，它把復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為用一兩個(gè)可編程邏輯器件即可實(shí)現(xiàn)的“片上”系統(tǒng) 。復(fù)雜可編程邏輯器件 CPLD 是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的可編程邏輯器件之一，后者也稱為可編程專用集成電路（ ASIC）。 EDA(Electronics Design Automation)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，是一種以計(jì)算機(jī)為基本工作平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)以至人工智能學(xué)等多種計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的最新成果而開發(fā)出來(lái)的一整套軟件工具，是一種幫助電子設(shè)計(jì)工程師從事 電子元件產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)。 EDA 工具的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)大的階段：物理工具和邏輯工具。 VHDL (Very High Speed , Integrated Circuit HDL ，超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言 ) 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家目前已經(jīng)基本上不存在電子產(chǎn)品的手工設(shè)計(jì)。 在國(guó)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(guò) A/D轉(zhuǎn)換器變成溫度的數(shù)字信號(hào)。用我們的CPLD制作的溫度計(jì) 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(jí)運(yùn)放來(lái)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(yǔ)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。這種語(yǔ)的成就有兩個(gè)方面：描述復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)和成為國(guó)際的硬件描述語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。有豐富的軟件支持 VHDL的綜合和仿真，從而能在設(shè)計(jì)階段就能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的Bug，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低成本。 Max+plusII 的介紹 Max+plusII(或?qū)懗?Maxplus2,或 MP2) 是 Altera 公司推出的的第三代 PLD開發(fā)系統(tǒng) (Altera 第四代 PLD 開發(fā)系統(tǒng)被稱為： QuartusII，主要用于設(shè)計(jì)新器件和大規(guī)模 CPLD/FPGA).使用 MAX+PLUSII 的設(shè)計(jì)者不需精通器件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)處理一般在數(shù)分鐘內(nèi)內(nèi)完成。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員是應(yīng)用傳統(tǒng)的原理圖輸入方法來(lái)開始設(shè)計(jì)的。（ ASCI 設(shè)計(jì)中，這一步驟稱為第一次 Signoff） PLD 設(shè)計(jì)中，有時(shí)跳過(guò)這一步。對(duì)于上述綜合生成的網(wǎng)表，根據(jù)布爾方程功能等效的原則，用更小更快的綜合結(jié)果代替一些復(fù)雜的單元，并與指定的庫(kù)映射生成新的網(wǎng)表，這是減小電路規(guī)模的一條必由之路。（ ASCI 設(shè)計(jì)中，這一步驟稱為第二次 Sign—off）。在狀態(tài) S0,選定 AD 轉(zhuǎn)換器 ,為模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備； 在狀態(tài) S1,使 AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換 , 當(dāng) INTR 信號(hào)端由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí) ,模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)入下一狀態(tài) S2,為讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果做準(zhǔn)備；在狀態(tài) S3, FPGA 讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。(2)數(shù)據(jù)處理模塊 ,將接收到的轉(zhuǎn)換值調(diào) 整成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并送到 FPGA 以待運(yùn)算和處理 。 控制系統(tǒng) 以 CPLD 為核心的，以 VHDL 語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)電路，可將警戒溫度等參數(shù)預(yù)存進(jìn)去 ,供脫機(jī)工作 (即不與 PC 機(jī)相連 ) 時(shí)使用。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。 2. 靈敏度的選擇：通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因 為 頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的 精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。但是其測(cè)量溫度范圍太寬 ， 如 R型熱電偶使用溫度范圍為 200℃ — 1400℃ ， K 型熱電偶（鎳鉻合金?鎳鋁合金 ），使用溫度范圍為 0℃ — 1000℃ 等，其不適合日常生活的環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備，只適合于金屬冶煉等廠礦。 方案三： 集成溫度傳感器 ， 集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種 采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成的 半導(dǎo)體集成電路， 因此也稱為硅傳感器或單片集成溫度傳感器。是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有 AD590、AD59 TMP1 LM135 等 。 AD590 在 測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的電路 中都得到廣泛的應(yīng) 用。 AD590 的電源電壓范圍為 4V～ 30V。在 0 度時(shí)就等于 273K，則輸出電流量 273uA。分辨率是指引起輸出數(shù)字量變動(dòng)一個(gè)二進(jìn)制碼最低有效位時(shí)，輸入模擬量的最小變化量。 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量所需要的時(shí)間。 積分型的工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。 串并行比較型 AD 結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，所以又稱為半快速型。其原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。一般逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器用得較多， ADC0804 就是這類單片集成 A/D 轉(zhuǎn)換器。 4 硬件電路設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)思路是：用數(shù)碼管顯示對(duì)外部溫度進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果，同時(shí)定時(shí)顯示時(shí)間，具體方案為：用溫度傳感器測(cè)量外部溫度，經(jīng)過(guò)放大后傳到 A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng) CPLD 芯片處理，最后將 結(jié)果用 LED 顯示，其間有蜂鳴器報(bào)警?？删幊绦酒瑢?duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的處理，最后將測(cè)量結(jié)果送LED 顯示輸出等等 [5]。 這種 集成溫度傳感器 是 電流型 傳感器 ，電流輸出型集成溫度傳感器在一定的溫度 T 時(shí)相當(dāng)于一個(gè)恒流源。 ℃ ，測(cè)量 分辨率為 ℃ ；其輸出電流 I 與溫度的關(guān)系可用下式表示： KT TKI ?? 或 273)(TKI CT ??? 式中： I —— 輸出電流，單位 μA TK —— 標(biāo)定因子， AD590 的標(biāo)定因子為 1μA/℃ ； KT —— 開氏溫度； CT —— 攝氏溫度。電容 C1 C1 C18 起到了隔直保護(hù)的作用?？蓪?duì)直流信號(hào)和交流信號(hào)進(jìn)行放大。 AD 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 當(dāng)有雙邊輸入時(shí) UIN（ +） 、 UIN（ ） 分別接模擬電壓信號(hào)的正端和負(fù)端。 WR 為轉(zhuǎn)換開始輸入信號(hào)， RD 為轉(zhuǎn)換結(jié)束后從 ADC 中讀出數(shù)據(jù)的控制信號(hào) ，兩者都是低電平有效。 AGND 和 DGND 分別為模擬地和數(shù)字地。其中 INTR 由高電位轉(zhuǎn)為低電位后，代表 ADC0804 完成這次的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，而 DB0 ～ DB7代表轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。數(shù)碼管的顯示也有兩種 :靜態(tài)和動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描顯示法是把所有數(shù)碼管的筆畫段，接到一組輸出口上，公共端則接在另外的輸出口上，用一個(gè)頻率足夠高掃描 信號(hào)將各個(gè)數(shù)碼管逐個(gè)點(diǎn)亮，由于人眼的“視覺(jué)暫留”看起來(lái)仍是連續(xù)穩(wěn)定的。 圖 四位數(shù)碼管顯示 鍵盤 鍵盤是電子鐘的一個(gè)很重要的組成部分。所有的鍵盤都采取共陰。鍵盤電路如下圖 所示： 圖 鍵盤電路 在 按鍵閉合、斷開過(guò)程中，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在閉合和斷開瞬間均有抖動(dòng)現(xiàn)象。這一點(diǎn)可從硬件、軟件兩方面予以考慮。由于此次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用的是大規(guī)模集成芯片，且設(shè)計(jì)要求盡量使用軟件代替硬件，所以采用軟件方法進(jìn)行消抖是最佳。當(dāng)小時(shí)計(jì)數(shù)達(dá)到 24 小時(shí)時(shí)，顯示“ 00 00”，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。 溫度檢測(cè)模塊 P or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or tP or td ou t 1[ 0 7 ]d ou t 2[ 0 7 ] 運(yùn)算與轉(zhuǎn)換模塊P or ts e g [ 0 7]d ou t 1[ 0 8 ]