【正文】 ............................................... 38 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 39 附錄 A ...................................................................................................................................... 40 附錄 B....................................................................................................................................... 41 附錄 C....................................................................................................................................... 42 附錄 D ...................................................................................................................................... 43 致謝 .......................................................................................................................................... 44 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 1 第一章 引 言 研究背景 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。 在工業(yè)領(lǐng)域極端惡劣工作環(huán)境下，溫度的測量常伴有巨大的撞擊力或高溫氣體的高速流動，其共同特點是溫度高且是瞬態(tài)變化的，響應(yīng)時間可達(dá) ms 甚至 ps 級，測量技術(shù)難度大 .目前，常用的溫度采集系統(tǒng)絕大部分是由集成溫度傳感器和單片機(jī)構(gòu)成 的，這種方案 有一定的局限性 ，因此采用效率和自動化水平更高的新的測量手段，是溫度測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。由于其本身的結(jié)構(gòu)和功能所限，它只能對一些要求精度不高的地方進(jìn)行較粗略檢測，從而需要嚴(yán)格控溫的場合則沒有辦法檢測，最終影響到生產(chǎn)的效率及效益。 溫度巡檢系統(tǒng) 不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動采集處理與實時控制 ， 而且要考慮數(shù)據(jù)的分析與管理 。 在確保數(shù)據(jù)的安全性、完整性的同時 ， 管理者直接面對生產(chǎn)現(xiàn)場 ， 并根據(jù)現(xiàn)場的實際作業(yè)信息及時發(fā)出指令 ， 進(jìn)行全局統(tǒng)籌調(diào)度與協(xié)調(diào) 。它是 由溫度傳感器和顯示、記錄儀表構(gòu)成。再經(jīng)數(shù)字電路或 微處理器及外圍電路處理后輸出驅(qū)動顯示和記錄機(jī)構(gòu)，周期性地采集被測信號。 EDA 技術(shù)就是以計算機(jī)為工具 ， 在 EDA 軟件平臺 上 ， 根據(jù)硬件描述語言 HDL 完成的設(shè)計文件 ，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局線、 仿真 ， 直至對于特定目測網(wǎng)絡(luò)是否暢通 ； 第三階段 ， 建立用戶和安裝常用的故障報警裝置。根據(jù)電子設(shè)計的發(fā)展特征 ， EDA 技術(shù)的發(fā)展過程可劃分為四個階段 ： 第一階段起始于 60 年代中期 ， 人們開始 用計算機(jī)設(shè)計印刷電路板 PCB(Printed CircuitBoard)設(shè)計 ， 產(chǎn)生了電子 CAD 概念 ， 標(biāo)志著電子 CAD 技術(shù)的誕生。這就是CAE(Computer AidedEngineering)的概念 ， 主要用于電氣原理圖的輸入、邏輯仿真、電路分析、布局布線和 PCB 設(shè)計。 第三階段從 80 年代初至九十年代初 ， EDA 技術(shù)延伸到半導(dǎo)體芯片的設(shè)計。同時出現(xiàn)了一批適用于微機(jī)的電路仿真和設(shè)計的軟件 ， 如 PSPICE、 EWB( Electrinic Workbench)等。這個時期微電子技術(shù)以驚人的速度發(fā)展 ， 其工藝已達(dá)到深亞微米級 ， 在一個芯片上可集成幾百萬只仍至上千萬只晶體管?？梢哉f這個階段才真正稱內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 4 得上是 EDA 時期。如上所述， EDA 就是利用計算機(jī) ， 通過軟件方式的設(shè)計和測試 ， 達(dá)到對既定功能的硬件系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。 EDA 仿真測試技術(shù)只需通過計算機(jī)就能對所設(shè)計的電子系統(tǒng)從各種不同層次的系統(tǒng)性能特點完成一系列 準(zhǔn)確的測試與仿真操作，在完成實際系統(tǒng)的安裝后還能對系統(tǒng)上的目標(biāo)器件進(jìn)行所謂邊界掃描測試。與單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)相比 ， 利用 EDA 技術(shù)對 FPGA/CPLD 的開發(fā)，通常是一種借助于軟件方式的純硬件開發(fā)，因此可以通過這種途徑進(jìn)行所謂專用集成電路(ASIC)開發(fā)，而最終的 ASIC 芯片，可以是 FPGA/CPLD，也可以是專制的門陣列掩模芯片， FPGA/CPLD 只起到硬件仿真 ASIC 芯片的作用。 可編程 邏輯門陳列（ FPGA） FPGA 由許多獨立的可編程邏輯模塊組成，用戶可以通過編程將這些模塊連接起來實現(xiàn)不同的設(shè)計。 1． FPGA 的分類 不同廠家、不同型號的 FPGA 其機(jī)構(gòu)有各自的特點，但就其基本機(jī)構(gòu)來分析，大致有以下幾種分類方法。 （ 2）按互聯(lián)結(jié)構(gòu)分 按互聯(lián)結(jié)構(gòu)分類可將其分為分段互聯(lián)型和連續(xù)互聯(lián)型兩類。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 5 2． FPGA 的基本機(jī)構(gòu)及特點 FPGA 由若干獨立的可編程邏輯模塊組成。這三種可編程的單元分別是輸入 /輸出模塊 IOB(I/O Block)、可編程邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）和互聯(lián)資源 IR(Interconnect Resource)。 3． FPGA 結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點有： （ 1） FPGA 中除了極少的幾個引腳以外，大部分引腳都與可編程的 IOB 相連，且均可根據(jù)要求設(shè)置成輸入或輸出。 （ 3）在 CLB 之間配備了豐富的連線資源。 4． FPGA 存在的主要缺點有： （ 1）信號傳輸延遲時間不是確定的且速度慢。 （ 3） FPGA 的編程數(shù)據(jù)不便于保密。對于目前流行的 EDA 工具軟件， 圖 的設(shè)計流程具有一般性。通常，使用 EDA 工具的設(shè)計輸入可分為兩種類型。 原理圖輸入法類似與傳統(tǒng)電子設(shè)計方法的原理圖編輯輸入方式，即在 EDA 軟件的圖形編輯界面上繪制能完成特定功能的電路原理圖。 原理圖編輯繪制完成后，原理圖編輯器將會對輸入的圖形文件進(jìn)行排錯，之后再將其編譯成適用于邏輯綜合的文件。 波形圖輸入發(fā)則是將待設(shè)計的電路看成是一個黑盒子，只需告訴 EDA 工具黑盒子電路的輸入和輸出時序波形圖， EDA 工具即能根據(jù)此完成黑盒子電路的設(shè)計。就是將使用了某種硬件描述語言的電路設(shè)計文本，如 VHDL，進(jìn)行編輯輸入。 綜合 一般來說，中和是僅對 HDL 而言的。綜合就是將電路的高級語言轉(zhuǎn)換成低級語言。 適配 適配器也稱結(jié)構(gòu)綜合器，它的功能是將由綜合器生成的網(wǎng)表文件配置于指定的目標(biāo)器件中，使之 長生 最終的下載文件，如 JAM 格式的文件。 適配器將綜合后的網(wǎng)表文件針對某一具體的目標(biāo)器件進(jìn)行邏輯映射操作，其中包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、邏輯布局布線操作。 時序仿真 在編程下載前必須利用 EDA 根據(jù)對適配生成的結(jié)果進(jìn)行模擬測試，就是所謂的仿真。仿真是在 EDA 設(shè)計過程中的重要步驟。但時序仿真的仿真文件必須來自針對具體器件的綜合器與適配器。 FPGA 與 CPLD 的辨別和分類主要是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和工作原理。 （ 2） 將以查表法結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成邏輯行為的器 件稱為 FPGA， 如 Xilinx 的SPARTAN 系列、 Altera 的 FLEX10K 或 ACEX1K 系列等。 VHDL硬件描述語言介紹 VHDL 的英文全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language， 誕生于 1982 年。自 IEEE 公布了 VHDL 的標(biāo)準(zhǔn)版本 (IEEE1076)之后 ， 各 EDA公司相繼推出了自己的 VHDL設(shè)計環(huán)境。 1993 年 ， IEEE對 VHDL 進(jìn)行了修訂 ， 從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展 VHDL 的內(nèi)容 ， 公布了新版本的 VHDL， 即 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 10761993 版本。有專家認(rèn)為 ,在新的世紀(jì)中 ， VHDL 與 Verilog 語言將承擔(dān)起幾乎全部的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。與其它的 HDL 相比 ， VHDL 具有更強(qiáng)的行為描述能力 ， 從而決定了它成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。就目前流行的 EDA 工具和 VHDL 綜合器而言 ， 將基于抽象的行為描述風(fēng)格的 VHDL 程序綜合成為具體的 FPGA 和 CPLD 等目標(biāo)器件的網(wǎng)表文件已不成問題。 1 P T 1 0 0恒流源及信號切換儀用放大程控偏置放大A / D轉(zhuǎn) 換單 片 機(jī)鍵 盤 / 顯 示存 儲 電 路通 信 電 路報 警 輸 出電 源 電 路2 P T 1 0 07 P T 1 0 03 P T 1 0 04 P T 1 0 05 P T 1 0 06 P T 1 0 08 P T 1 0 0 圖 溫度巡檢儀原理結(jié)構(gòu)圖 從圖 可知系統(tǒng)主要包括構(gòu)成智能測量系統(tǒng)核心的微處理器、檢測溫度的敏感元件 — 熱電阻式溫度傳感器 Pt100、信號的采集電路 — 恒流源電路、信號的切換及偏置放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示輸出 電路、通信電路、存儲電路以及電源電路。 方案二： 巡檢系統(tǒng) 如圖 所示， 主要由微控制芯片 AT89C2051 和數(shù)字溫度傳感器 DS18B20構(gòu)成。通過對外界溫度進(jìn)行測量 ， 主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、報警等功能。當(dāng) DS18B20 處在存儲器操作和溫度 A/D 變換操作時 ， 總線上必須有強(qiáng)的上拉。多點溫度巡檢系統(tǒng)原理圖如圖 所示。 其工作過程為 ： 主機(jī)發(fā)出一個脈沖 ， 待“ 0”電平大于 480us 后 ， 復(fù)位 DS18B20,在 DS18B20 所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機(jī)接收后 ， 主機(jī)再發(fā)讀 ROM 命令代碼 33H， 然后發(fā)一個脈沖 (≥ 15us)， 并接著讀取 DS18B20 序列號的一位。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計 ， 程序采用匯編語言編程 ， 系統(tǒng)功能由復(fù)位子程序、讀 /寫子程序、溫度轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、報警子程序等來完成。 D S 1 8 B 2 0D S 1 8 B 2 0A T 8 9 S 5 1L E D 1L E D 4L a b V I E WP C........ 圖 多路溫度巡回檢測系統(tǒng)框圖 總體方案選擇與設(shè)計 本設(shè)計選擇了基于 FPGA 的兩種方案。 c r y s t a lx 0x 1x 2x 3y 0y 1y 2y 3XYXYT +T O ED A T AS T A R TA D O ED A T AA D S T A R TA D C L KO U T _ D A T AD A T AD I S P L A YD I S P L A YD I S P L A YC L KL P M _ R O MA / D ( 0 8 0 9 )A D C 0 8 0 9C D 4 0 5 2F P G A ( E P F 7 1 2 8 S )L E D D r v i e rL E D 1L E D 2L E D 3放 大電 路C D 4 0 5 2D I S P L A YL E D 3A D C 0 8 0 9AI N 圖 總體 方框圖 從圖 可知 ， 系統(tǒng)主要包括 FPGA 芯片 、檢測溫度的 熱電偶 溫度傳感器、 多路選內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 (畢業(yè)論文 ) 12 擇 芯片 CD405信號放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示輸出電路及鍵盤電路 。 冷端溫度補償采用 電橋補償 電路。 c r y s t a lx 0x 1x 2x 3y 0y 1y 2y 3XYXYT +T S C KS OC SA D S C KD A T AA D C SA D C L KO U T _ D A T AS t r i n g i n t oP a r a l l e l o u tC L KI ND I S P L A YD I S P L A YD I S P L A YS E R D E SA / D ( M A X 6 6 7 5 )M A X 6 6 7 5C D 4 0 5 2F P G