【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ），設(shè)計(jì)者就能夠?qū)φ麄€(gè)工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和功能的可行性進(jìn)行查驗(yàn)，并做出決策。 在硬件設(shè)計(jì)中架用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD)一般來(lái)說(shuō)到了 80 年代才普及和應(yīng)用，隨著大規(guī)模專(zhuān)用集成電路 (ASIC)的開(kāi)發(fā)和研制，為了提高開(kāi)發(fā)效率，增加已有的開(kāi)發(fā)成果的可繼承性以及縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，各 ASIC 廠商相繼開(kāi)發(fā)了用于各自目的的硬件描述語(yǔ)言，其中最有代表性的是美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)的 VHDL(VHSIC Description Language)語(yǔ)言，在1987 年，由 IEEE 將 VHDL 語(yǔ)言定為標(biāo)準(zhǔn)。 用 VHDL 進(jìn)行設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)技術(shù)相比有很多的優(yōu)點(diǎn)。 VHDL 支持?jǐn)?shù)字電路的開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)也支持各種設(shè)計(jì)方法 :自頂向下 (topdown)，自底向上 (bottomup)或兩者混合的方法。當(dāng)今許多電子產(chǎn)品的生命周期大約為 10 年，同時(shí)又必須多次重新設(shè)計(jì)，以利用新的技術(shù)?，F(xiàn)在，最簡(jiǎn)單的方法是采用與工藝無(wú)關(guān)的VHDL 設(shè)計(jì)方法，使用 EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 )工具來(lái)改變工藝。 VHDL 的設(shè)計(jì)支持可 修改性，因?yàn)檎Z(yǔ)言易讀、層次化且結(jié)構(gòu)化。 VHDL 語(yǔ)言支持層次化 (框圖 )、元件的再用、出錯(cuò)處理和驗(yàn)證。層次化可以利用結(jié)構(gòu) VHDL、過(guò)程和函數(shù)描述。結(jié)構(gòu) VHDL 類(lèi)似于框圖。許多系統(tǒng)還支持圖形輸入，并可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu) VHDL。 VHDL 語(yǔ)言還支持并行的和順序的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)。 VHDL 的元件 (Component)設(shè)計(jì)可以與工藝無(wú)關(guān)，或者或多或少與某一類(lèi)工藝無(wú)關(guān)。元件可以保存在設(shè)計(jì)庫(kù)中，在多個(gè)不同的設(shè)計(jì)中再利用。這樣就可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到商用集成電路標(biāo)準(zhǔn)元件的 VHDL 模型，當(dāng)驗(yàn)證整個(gè)電路板時(shí)，這是一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)。 VHDL的 代碼可以用模擬器驗(yàn)證其功能。模擬器施加輸入信號(hào)進(jìn)行模擬，并以元件為基礎(chǔ)產(chǎn)生信號(hào)圖和出錯(cuò)信息。輸入信號(hào)的描述或者用 VHDL 語(yǔ)言，或者用模擬器的語(yǔ)言。當(dāng)對(duì)VHDL 代碼進(jìn)行模擬時(shí)就實(shí)現(xiàn)了功能驗(yàn)證。其后還可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序驗(yàn)證。 在傳統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者必須用手工檢查與工藝有關(guān)的因素如時(shí)序、面積、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度、元件的選擇和扇出。用 VHDL 進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可以專(zhuān)心致力于其功能，即需求規(guī)范的實(shí)現(xiàn)，而不需要對(duì)不影響功能的與工藝無(wú)關(guān)的因素花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力。 基于 FPGA 的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本課題是要設(shè)計(jì)一個(gè) 100 個(gè)停車(chē)位的停車(chē)場(chǎng)車(chē)位顯示系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求用 1010? 點(diǎn)陣表示停車(chē)場(chǎng)的 100 個(gè)車(chē)位，燈亮表示該車(chē)位為空，燈熄滅表示該車(chē)位有車(chē)。用傳感器檢測(cè)某個(gè)停車(chē)位上有無(wú)車(chē)輛，設(shè)計(jì)其測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。 在設(shè)計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的過(guò)程中傳感器的選用是關(guān)鍵。 整個(gè)設(shè)計(jì)中用硬件描述語(yǔ)言來(lái)完成，并用 MAX＋ PLUSⅡ進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程中參數(shù)設(shè)置比較關(guān)鍵。最后要對(duì)仿真結(jié)果 進(jìn)行系統(tǒng) 分析。 基于 FPGA 的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 第 2 章 停車(chē)場(chǎng)車(chē)位顯示設(shè)計(jì)的分析 車(chē)位顯示設(shè)計(jì)的分析 隨著新世紀(jì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，私人購(gòu)車(chē)量大幅提高。龐大的車(chē)輛系 統(tǒng)給我們?nèi)粘Ｉ顜?lái)很多問(wèn)題。首先要面對(duì)的就是車(chē)輛停置的有效管理。在停車(chē)場(chǎng)管理中，停車(chē)場(chǎng)的土地資源是有限的，因此在停車(chē)場(chǎng)土地資源的有效利用也就相當(dāng)重要。設(shè)計(jì)合理和完善的車(chē)位顯示管理系統(tǒng)是很必要的。 本課題為 停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) ，其中包括： 傳感器的選用 、 FPGA 處理芯片的 選定 和 系統(tǒng)功能程序的 設(shè)計(jì)。 其中 傳感器 是 用來(lái)測(cè)量車(chē)位上是否有車(chē) ， 處理芯片對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 。 當(dāng) 某個(gè)車(chē)位駛?cè)胍惠v車(chē) ,則傳感器接收到信息并輸出 , 經(jīng)過(guò)處理芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并且輸出顯示。 在整個(gè)設(shè)計(jì)中停車(chē)位信息的傳輸是關(guān)鍵，車(chē)位信息檢 測(cè)和傳輸用到傳感器，因而傳感器的選用 是設(shè)計(jì)的入口。 傳感器的選用 傳感器是 一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn) 停車(chē)場(chǎng)車(chē)位顯示系統(tǒng) 自動(dòng)檢測(cè)的首要環(huán)節(jié)。 傳感器一般是根據(jù)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等特性、規(guī)律和效應(yīng)設(shè)計(jì)而成的。由某一原理設(shè)計(jì)的傳感器可以同時(shí)測(cè)量多種非電量，而有時(shí)一種非電量又可用幾種不同的傳感器測(cè)量，因此傳感器的分類(lèi)方法有很多，一般可按如下幾種方法分類(lèi)： （ 1） 按輸入物理量分： 按輸入物理量的性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，如速度傳感器、溫度傳感器、位移傳感器等。 這種分類(lèi)方法是按輸入物理量命名的。其優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途使用。但是這種分類(lèi)方法是將原理互不相同的傳感器歸為一類(lèi)，很難找出每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異。 （ 2）按工作原理分：這種分類(lèi)方法是以工作原理，將物理和化學(xué)等學(xué)科的原理和、規(guī)律和效應(yīng)作為分類(lèi)依據(jù)，如電壓式、熱電式、電阻式、光電式、電感式等。這種分類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于傳感器的工作原理比較清楚，類(lèi)別少，利于對(duì)傳感器進(jìn)行深入分析和研究 。 （ 3）按能量的關(guān)系分：根據(jù)能量的觀點(diǎn)分類(lèi)，可將傳感器分為有源傳感器和無(wú)源傳感器。前者將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱(chēng)之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器。通常配合有電壓測(cè)量電路和放大器，如壓電式、熱電式、電磁式等。無(wú)緣傳感器又稱(chēng)能量控制型傳感器。基于 FPGA 的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 它本身不是一個(gè)換能器，被測(cè)非電量?jī)H對(duì)傳感器中能量起控制或調(diào)節(jié)作用。所以，它們必須有輔助電源，這類(lèi)傳感器有電阻式、電容式、電感式等。 （ 4）按輸出的信號(hào)的性質(zhì)分：分為模擬式和數(shù)字式傳感器，即傳感器的輸出量為模擬量或數(shù)字量。數(shù)字傳感器便于與計(jì)算機(jī)連用，且抗干擾性強(qiáng)，例如盤(pán)式角壓數(shù)字傳感器 ，光柵傳感器等。 對(duì)于相同種類(lèi)的測(cè)定量可采用不同工作原理的傳感器，因此要根據(jù)需要選用最適宜的傳感器。 選用傳感器時(shí)要考慮以下幾點(diǎn)： （ 1）測(cè)量條件：如果誤選傳感器，就會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。為此，要從系統(tǒng)總體考慮，明確使用的目的以及采用傳感器的必要性，絕對(duì)不要采用不適宜的傳感器與不必要的傳感器。測(cè)量條件列舉如下，即測(cè)量目的，測(cè)量的選定，測(cè)量的范圍，輸入信號(hào)的帶寬，要求的精度，測(cè)量所需要的時(shí)間，過(guò)輸入發(fā)生的頻繁程度。 （ 2）傳感器的性能：選用傳感器時(shí)，要考慮傳感器的下述性能，即精度，穩(wěn)定度，響應(yīng)速度，模擬信號(hào)或者數(shù) 字信號(hào)，輸出量及其電平，被測(cè)對(duì)象特性的影響，校準(zhǔn)周期，過(guò)輸入保護(hù)。 （ 3）傳感器的使用條件：傳感器的使用條件即為設(shè)置的場(chǎng)所，環(huán)境，測(cè)量的時(shí)間，與顯示器之間的信號(hào)傳輸距離，與外設(shè)的連接方式，供電電源容量。 反射式光電傳感器是將紅外發(fā)光管和硅光敏三極管等，以相同的方向裝在支架上。當(dāng)紅外線發(fā)光管通電發(fā)光時(shí)，光通過(guò)被照射物反射到硅光敏三極管窗口上， 使硅光敏 三極管導(dǎo)通，從而有一定大的電流輸出，以此檢測(cè)物體的有無(wú)。 在設(shè)計(jì)中 將傳感器置于停車(chē)位的正上方，通過(guò)紅外反射確知車(chē)位狀態(tài)，其實(shí)現(xiàn)原理如圖 所示?？紤]到停車(chē)場(chǎng)與地面 有距離差，傳感器的測(cè)量距離必須有足夠大。 一般的紅外反射傳感器檢測(cè)距離都在 2～ 5 米，停車(chē)場(chǎng)的高度在其測(cè)量距離內(nèi)。且 紅外反射光電傳感器具有靈敏度高，抗干擾強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)便，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。所以選用紅外反射光電傳感器符合課題的要求。 圖 紅外反射車(chē)位檢測(cè)原理 圖 傳感器 停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位 紅外反射 基于 FPGA 的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 紅外反射光電傳感器 及實(shí)現(xiàn)電路 反射式光電傳感器的光源有多種， 常用的 有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳 感器只接收很 窄的 頻率范圍信號(hào)，不容易被干擾 但價(jià)格較貴。 理論上光電傳感器只要位于被測(cè)區(qū)域反射表面可受到光源照射同時(shí)又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測(cè)，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測(cè)量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，采用對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)，原理如反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)電壓 Vout 是反射 面與傳感器之間距離 x 的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí)， x 與 Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的，如圖 ，圖 所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。 圖 紅外發(fā)射接收原理 圖 光強(qiáng)度相應(yīng)曲線 在設(shè)計(jì)中每個(gè)車(chē)位上方都要安裝一個(gè)紅外反射傳感器，總共 100 個(gè)傳感器就有 100個(gè)信號(hào)輸出數(shù)據(jù)線。這些線都接入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路的總線輸入端口，在 CLK 時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路完成對(duì)檢測(cè)信號(hào)的處理并且輸出。設(shè)計(jì)中采用的紅外反射光電 傳感器的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖 所示。 接收電路 發(fā)射 X 反 射 表 面 4 10 Vout x/mm 基于 FPGA 的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 圖 紅外反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)電路 基于 FPGA 的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 本課題為 停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先要解決的是停車(chē)位車(chē)輛狀態(tài)信息的檢測(cè)和傳輸，然后對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理，最后將車(chē)位狀態(tài)信息顯示。這里我用到位置傳感器對(duì)車(chē)位信息進(jìn)行檢測(cè)，所以要在 1010? 停車(chē)場(chǎng)共 100 個(gè)停車(chē)位每個(gè)停車(chē)位安一個(gè)“車(chē)位傳感器”， 利用 傳感器檢測(cè) 停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位 停車(chē)狀態(tài)， 傳感器檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)總線送進(jìn) FPGA 鎖存后 進(jìn)行信息處理，最終通過(guò)顯示器件 將停車(chē)位狀態(tài)信息顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖 所示。 100 個(gè)傳感器并行信號(hào)輸入 FPGA 進(jìn)行鎖存， 由 分組模塊程序?qū)λ行盘?hào)進(jìn)行分組 10 個(gè)一組，共 10 組。 10 組分組信號(hào)進(jìn)入顯示模塊進(jìn)行行和列掃描 。 整個(gè)設(shè)計(jì)方案分兩個(gè)大模塊：分組模塊和掃描顯示模塊。 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案 框圖 分組模塊頂層圖及設(shè)計(jì)程序 如圖 所示， 所有傳感器的輸出都接到 系統(tǒng)電路的輸入總線 din[99...0]，共一百個(gè)輸入端口 。在 CLK 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下， LOCK 對(duì) 100 個(gè)傳感器輸入信號(hào)進(jìn) 行鎖存然后 系統(tǒng)電路開(kāi)始工作對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行 分組， 具體分為 qout0～ qout9 共 10 組，每組 10 個(gè)。 以上提到的 LOCK 鎖存信號(hào)，其實(shí)也就是動(dòng)態(tài)掃描的掃描頻率信號(hào)，它 決定了 系統(tǒng) 的 掃描頻率。 100 個(gè)并行信號(hào) FPGA CLK 分組 0~9 10~19 20~29 30~39 40~49 50~59 60~69 70~79 80~89 90~99 掃描輸出 傳 0 感 1 器 2 檢 3 測(cè) 4 到 的 信 號(hào) 99 基于 FPGA 的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 圖 分組模塊頂層圖 分組 模塊設(shè)計(jì)程序如下： library ieee。 use 。 use 。 entity fenzu is port(clk:in std_logic。 lock:in std_logic。 din:in std_logic_vector(99 downto 0)。 qout0,qout1,qout2,qout3,qout4, qout5,qout6,qout7,qout8,qout9:out std_logic_vector(9 downto 0) )。 end。 architecture behave of fenzu is signal temp:std_logic_vector(99 downto 0)。 begin process(clk,din) begin if lock=39。139。 then temp=din。 elsif(clk39。event and clk=39。139。) then 基于 FPGA 的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 qout0=temp(9 downto 0)。 qout1=temp(19 downto 10)。 qout2=temp(29 downto 20)。 qout3=temp(39 downto 30)。 qout4=temp(49 downto 40)。 qout5=temp(59 downto 50)。 qout6=temp(69 downto 60)。 qout7=temp(79 downto 70)。 qout8=temp(89 downto 80)。 qout9=temp(99 downto 90)。 end if。 end process。 end。 顯示模塊頂層圖及程序 如圖 所示 din0～ din9 為上級(jí)分組模塊分組后的十組信號(hào)，進(jìn)入模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描；輸出 hang,lie 分別是行和