【文章內(nèi)容簡介】 及引腳概述、 FPGA/CPLD 模塊概述、 Quartus II 簡單介紹、 Verilog HDL 硬件描述語言、系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，包括頂層電路設(shè)計(jì)、前端信號放大整形電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)與 CPLD 接口電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)主模塊設(shè)計(jì)、單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)等，最后論述了軟件部分設(shè)計(jì)與仿真包括單片機(jī)部分匯編語言編寫與調(diào)試、東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒論 3 CPLD 部分用 Verilog HDL 語言實(shí)現(xiàn)的頻率、脈寬計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、仿真與分析等。通過本系統(tǒng)的研究，可以熟悉可編程邏輯器件開發(fā)原理及步驟以及基 于 Quartus II 和 Verilog的自頂向下模塊化數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、掌握可編程邏輯器件與單片機(jī)的協(xié)作開發(fā)技術(shù)。 本文主要做了一下幾項(xiàng)工作： (1) 電路設(shè)計(jì)。此部分包括待測信號的前端放大與整形電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)主模塊電 路設(shè)計(jì)、單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)等，其中放大與整形電路通過在 Proteus 下的仿真調(diào)試。 (2) 單片機(jī)匯編語言編寫、調(diào)試與仿真測試。此模塊為整個系統(tǒng)的主要部分，匯編 語言在 Keil μ vision 2 環(huán)境下編寫與調(diào)試，同時部分模塊采用 Keil μ vision 2 與Proteus 聯(lián)合調(diào)試的方法，這大大提高了系 統(tǒng)開發(fā)的速度。 (3) CPLD 部分 Verilog HDL 代碼編寫與測試、仿真。此部分在 Quartus II 環(huán) 境下完成，并通過 ModelsimAltera 進(jìn)行時序仿真。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 4 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 常用的數(shù)字頻率測量方法 頻率計(jì)最基本的工作原理為：當(dāng)被測信號在特定時間段 t 內(nèi)的周期個數(shù)為 n時，則被測信號的頻率 t/nf ? （如圖 所示）。 在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形之后形成特定周期的窄 脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測量設(shè)置。 周期 t 總時間 t n 次重復(fù) 圖 頻率測量基本原理 直接測頻法 直接測頻法是最簡單的，也是最基本的頻率測量方法，在測量過程中，依據(jù)信號頻率高低的不同，測量方法也可以分為兩種 [5]： (1) 被測信號頻率較 高時 (M 法 ) 通常選用一個頻率較低的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號作為閘門信號，而將被測信號作為 填 充脈沖，在固定閘門時間內(nèi)對其計(jì)數(shù)。設(shè)閘門寬度為 t，計(jì)數(shù)值為 n，則這種測量方法的頻率測量值為： tnfx? () 測量誤差主要決定于閘門時間 t 和計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)器計(jì)得 的數(shù)的準(zhǔn)確度，因此 ， 總誤差可以采用分項(xiàng)誤差絕對值線性相加來表示，即： ???????? ??? |f| |f|tfffxx 000 1 ?? () 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 5 其中，xtf1? 是最大量化誤差的相對值，xtfnnn 11 ????? ， nn? 的產(chǎn)生是由于測頻時，閘門的 開 啟時刻與計(jì)數(shù)脈沖之 間的時間 關(guān)系不相關(guān)造成的，即在相同的主門 開 啟時間內(nèi)，計(jì)數(shù)器所得的數(shù)并不一定相同。當(dāng)主門 開 啟 時間 t 接近甚至等于被測信號周期 t 的整數(shù)倍時，量化誤差最大，最大量化誤差為 1??n? 個數(shù)。 |f|/|f| 00? 為標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度，在數(shù)值上石英晶體振蕩器所提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度等于閘門 時間 的相對 誤差t/t? 的準(zhǔn)確度，即： 00fftt ?? ?? () 式中負(fù)號表示由 0f? 引起的閘門時間的誤差為 0t?? 。 通常，對標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度 |f| 0? / || 0f 的要求是根據(jù)所要求的測頻準(zhǔn)確度而提出來的。因此，為了使標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差不對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度應(yīng)高于被測信號準(zhǔn)確度至少 1 個數(shù)量級。因此，測量較高的信號頻率時，若 0f 一定，閘門時間 t 越長，測量準(zhǔn)確度越高，當(dāng) t 選 定后， 0f 越高， 177。1 個數(shù)字誤差對測量結(jié)果影響減小，測量準(zhǔn)確度越高。 (2) 被測信號頻率較低時 (T 法 ) 通常被測信號被選作閘門信號，而將頻率較高的標(biāo)頻信號作為填充脈沖，進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為 n，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的頻率為 0f ，周期為 0t ，則有： 01ntfx? () 使用這種方法測頻的誤差主要是對標(biāo)頻信號計(jì)數(shù)產(chǎn)生的 177。1 個數(shù)字誤差，在忽略標(biāo)準(zhǔn)頻率信號自身誤差的情況下，測量精度為： 02fff xx ??? () 由上可知：直接測頻方法的優(yōu)點(diǎn)是：測量方便，讀數(shù)直 接，在比較寬的頻率范圍內(nèi)能夠獲得較高的測量精度。它的缺點(diǎn)是：由于被測信號 177。1 個數(shù)字誤差的存在，難以兼顧低頻和高頻實(shí)現(xiàn)等精度測量，所以測量精度較低。 等精度測頻法 (1) 等精度測頻原理 等精度 測頻是在直接測頻基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在目前的測頻系統(tǒng)中得到了越來越廣東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 6 泛的應(yīng)用。它在測頻時，閘門時間不是固定的，而是被測信號的整數(shù)倍，即與被測信號保持同步，因此消除了對被測信號計(jì)數(shù)所產(chǎn)生的 177。1 個數(shù)字誤差，使測量精度大為提高，測量原理框圖如圖 所示 ，測量原理的波形如圖 所示 。 圖 等精度測頻原理框圖 圖 等精度測頻波形圖 測量時，首先預(yù)置閘門開啟信號，此時計(jì)數(shù)器并不計(jì)數(shù)，等被測信號上升沿到來時，觸發(fā)器輸出計(jì)數(shù)允許信號 (實(shí)際閘門信號 )，計(jì)數(shù)器 l 對標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器 2 對被測信號計(jì)數(shù)，預(yù)置閘門關(guān)閉時，計(jì)數(shù)器并不立即結(jié)束計(jì)數(shù)，而是等到被測信號上升沿到來時才停止計(jì)數(shù)，完成測量過程。 若計(jì)數(shù)器 1 對標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)值為 ，計(jì)數(shù)器 2 對被測信號的計(jì)數(shù)值 xn ，則被測信號頻率為： ccxx fnnf ? () 運(yùn)算器對式 ()進(jìn)行運(yùn)算，由顯示器顯示運(yùn)算結(jié)果，即為被測信號的頻率值。 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 7 (2) 誤差分析 由誤差合成公式有： ccccxxxx ffnnnnff ???? ??? () 在 ()中第一項(xiàng)為被測信號引起的量化誤差，由于實(shí)際閘門與被測信號同步，所以xn? =0，即消除了被測信號計(jì)數(shù)所產(chǎn)生的 177。1 個字的量化誤差，由此得到最大相對誤差為： ?????? ??? |f| |f|tfffcccxx ?? 1 () 式 ()說明頻率測量的相對誤差與被測信號的頻率無關(guān)，其大小主要取決于閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，因而實(shí)現(xiàn)了頻帶內(nèi)等精度、高精度的測量。當(dāng)合理選擇閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，既可保證測量精度；又可提高測量速度，因此 等精度 測頻法得到了廣泛的應(yīng)用。而且由 ()式可知：閘門 時間 T 越長，時基頻率越高，分辯率越高，誤差愈小。 單片機(jī)模塊理論及知識 8051 系列單片機(jī)簡介 8051 單片機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖 所示。一個 8051 單片機(jī)包含下列部件 [6]： 一個 8 位微處理器 CPU。 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR。 片內(nèi)程序存儲器 ROM。 兩個定時 /計(jì)數(shù)器 T0、 T1，可用作定時器，也可用以對外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 四個 8 位可編程的并行 I/O 端口，每個端口既可作輸入，也可作輸出。 一個串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。 中斷控制系統(tǒng)。 內(nèi)部時鐘電路。 圖 8051 單片機(jī)的基本組成 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 8 AT89C51 功能及引腳概述 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大 AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù)： 4k 字節(jié) 可重復(fù)擦寫 Flash 閃速存儲器 、 1000 次擦寫周期 、 全靜態(tài)操作 ： 0Hz24MHz、 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM、 32 個可編程 I/O 口線 、 2 個 16 位定時 /計(jì)數(shù)器 、6 個中斷源 、 可編程串行 UART 通道 、 低功耗空閑和掉電模式 [7]。 圖 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89C51 有 40個引腳。內(nèi)部含有 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口。引腳分布如圖 所示。 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 9 圖 AT89C51引腳分布 Keil μ vision 2 軟件介紹 Keil Software 的 8051 開發(fā)工具提供以下程 序，可以用它們來編譯 C 源碼，來匯編匯編源程序，連接和重定位目標(biāo)文件和庫文件，創(chuàng)建 HEX 文件，調(diào)試目標(biāo)程序 [8]。 軟件開發(fā)流程： （ 1） 創(chuàng)建一個項(xiàng)目，從器件庫中選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置。 （ 2） 用 C 語言或匯編語言創(chuàng)建源程序。 （ 3） 用項(xiàng)目管理器生成應(yīng)用。 （ 4） 修改源程序中的錯誤。 （ 5） 測試，連接應(yīng)用。 Keil uvision 可以選擇與 Proteus 連調(diào)模式，如圖 所示。需要在 Keil 里面做如下設(shè)置： 復(fù)制 到 Keil 安裝目錄下的 BIN 文件夾中，修改 文件，然后在 Debug 選項(xiàng)卡的第二個 use 中選擇如圖選項(xiàng)，最后在 Proteus 軟件中的調(diào)試菜單下選中“使用遠(yuǎn)程調(diào)試監(jiān)控”即可。 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 10 圖 Proteus與 Keil連調(diào)設(shè)置 另外，在本系統(tǒng)調(diào)試過程中要用到串口調(diào)試，調(diào)試窗口如圖 所示。 圖 Keil自帶串口調(diào)試 Proteus 軟件介紹 Proteus 軟件是英國 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具軟件。它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具 [9]。 Proteus 組合了高級原理布圖 、混合模式 SPICE 仿真， PCB 設(shè)計(jì)以及自動布線，是可以實(shí)現(xiàn)一個完整的電子設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。用戶可以對基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真，甚至可以實(shí)時采用諸如 LED/LCD、鍵盤、 RS232 終端等動態(tài)外設(shè)東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論及知識 11 模型來對設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。同時，自動布置和自動布線工具使 PCB 設(shè)計(jì)盡可能的簡便，復(fù)雜的工作都由計(jì)算機(jī)完成。 在傳統(tǒng)的基于曲線圖的電路仿真的基礎(chǔ)上， Proteus VSM 提供了完全交互電路動畫曲線。用戶能夠用鼠標(biāo)操作元件模型來控制設(shè)計(jì)，并能夠從指示屏上觀察到過程。此外提供了很多虛擬儀器，如電壓計(jì)、電流 計(jì)、示波器。這些虛擬儀器使得電路仿真非常直觀，如同在實(shí)際操作一樣。 使用 Proteus 與 Keil 連調(diào)時，需做如下設(shè)置： 在菜單欄“ Peripherals”中進(jìn)行選擇，如圖 所示。 圖 Proteus中設(shè)置與 Keil連調(diào) FPGA/CPLD 模塊概述 CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編