1、数字定时器设计任务书学 号： 能力拓展训练题 目数字定时器设计学 院自动化学院专 业自动化专业班 级自动化1001班姓 名张三指导教师孙晓明2016年 月 日能力拓展训练任务书学生姓名： 张三 专业班级： 自动化1001班 指导教师： 孙晓明 工作单位： 自动化学院 题 目: 数字定时器设计 初始条件：计算机、Max+plus、EDA实验箱。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）设计数字钟，内有4组可设置的定时开/关，控制一路开关量输出。定时开关的设置分为单次操作(2011年6月25日8：00开2011年6月26日18：00关)，周期操作（如周三8：
2、00 开，周四16：00关）。数码管显示时间（单位秒）与设置值（单位分钟），用发光二极管表示周期与单次操作。任务安排：（1) 设计任务及要求分析（2) 方案比较及认证说明（3) 系统原理阐述，写出设计方案结构图。（4) 软件设计课题需要说明：软件思想，流程图，源程序及程序注释（5) 调试记录及结果分析、（6) 总结（7) 参考资料5篇以上（8) 附录：程序清单时间安排：D1：安排设计任务；收集资料；方案选择D2：程序设计D3：实验室内调试程序并演示D4：撰写报告D5：交能力拓展训练报告主要参考资料：1 谭会生，张昌凡EDA 技术及应用西安：西安电子科技大学出版社20042 孙晓明EDA实验指导
3、书武汉：武汉理工大学教材中心，20071指导教师签名： 孙晓明 2016年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要该段主要介绍背景、意义等。如（数据采集技术广泛应用于通信、雷达、航空航天、工业等领域。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，数据采集系统的性能在不断提高，功能在不断增强。）该段主要介绍使用什么原理、什么核心芯片、什么手段、什么工具组成什么电路。其软硬件的特点。解决了什么问题等如（如多通道模拟量数据采集是并行数据采集技术领域研究的热点 ,其控制核心一般采用单片机、DSP或者FPGA实现。但是,从处理速度、执行效率、总线宽度、体积、功耗等方面考虑, FPGA的优势比较明显。同
4、时,在数据处理方面,可以充分利用FPGA通用或专用的IP核,灵活有效地实现数据的高速处理。）该段介绍得到了什么结论。关键词：35个目录1 设计任务及要求分析 61.1 设计任务 61.2 任务要求分析 62 方案设计 62.1 设计思路 62.2 单片机设计方案 72.3 FPGA设计方案 72.4 方案选择 73 智能抢答器硬件电路设计 73.1 智能抢答器硬件电路系统组成 73.2 显示单元设计 83.3 控制电路单元设计 83.4 等等电路 84 智能抢答器软件设计 84.1 智能抢答器软件流程组成 94.2 显示程序设计 94.3 计时程序设计 94.4 防抖延时等等程序设计 95 调
5、试记录与仿真结果分析 95.1 调试结果 95.2 仿真结果分析 106 心得体会 11参考文献 11附录 11本科生能力拓展训练成绩评定表 131 设计任务及要求分析虽然国内与国外在数据采集技术上存在差距，但是总体来看这个差距在不断缩小，在不久的将来中国的数据采集系统肯定会晋升国际一流的水准。随着数字化步伐的不断加深，数据采集技术作为走进数字世界1.1 设计任务国外数据采集技术较上世纪有了很大的发展，从最近国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展方向可以概括为使用方便、功能多样和体积减小三个方面9,国内数据采集技术起步比较晚，国内的数据采集系统与国外数据采集系统相比，在技术上仍然存在一定的差
6、距，主要表现在：1.2 任务要求分析数据采集系统常见的结构有三种：多通道分时复用数据采集系统、多通道同步数据采集系统和分布式数据采集系统，其中多通道同步数据采集系统是目前数据采集系统的主流设计结构。在现代信号处理系统中，多通道同步数据采集系统广泛应用于各种军用、商用和工业领域中，如雷达系统、弹上设备及通信系统等为了更快速更全面地分析系统，在采集系统主要信号时，往往需要对一些相关信号进行测量10。早先的多通道分时复用数据采集系统只能实现循环采集多路信号，不能得到多个通道同一时刻的采样点，并且数据采集的速率也不是很高，而多通道同步数据采集系统恰恰弥补了分时复用数据采集系统的不足2 方案设计虽然国内
7、与国外在数据采集技术上存在差距，但是总体来看这个差距在不断缩小，在不久的将来中国的数据采集系统肯定会晋升国际一流的水准。随着数字化步伐的不断加深，数据采集技术作为走进数字世界的一把钥匙，只有掌握了尖端的数据采集技术才能在这个飞速变化的世界具有竞2.1 设计思路了数据采集系统的用途和意义，以及数据采集系统的组成结构。然后阐述了数据采集系统的理论知识中信号采样、模数转换等基本理论。接着提出了基于FPGA的数据采集系统的总体设计方案及完成对硬件电路设计。在此基础上完成对FPG2.2 单片机设计方案数据采集就是将被测对象的各种参量(可以是物理量，也可以是化学量、生物量等)通过各种传感器做适当转换后，再
8、经信号处理电路对信号进行调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理和存储记录的过程。这里所用的控制器一般是计算机系统。2.3 FPGA设计方案数据采集就是将被测对象的各种参量(可以是物理量，也可以是化学量、生物量等)通过各种传感器做适当转换后，再经信号处理电路对信号进行调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理和存储记录的过程。这里所用的控制器一般是计算机系统。2.4 方案选择数据采集就是将被测对象的各种参量(可以是物理量，也可以是化学量、生物量等)通过各种传感器做适当转换后，再经信号处理电路对信号进行调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进
9、行数据处理和存储记录的过程。3 智能抢答器硬件电路设计数据采集系统的任务，具体地说，就是将采集传感器输出的模拟信号通过一定的处理并能够转换成计算机识别的数字信号，即A/D模数转换，转换后的数字信息最后送入计算机，由计算机根据不同的需要进行相应的计算和处理。3.1 智能抢答器硬件电路系统组成发展是数据采集技术的一个重要推动力。传感器是按一定规律将被检测信号转换成便于进一步处理的模拟电信号（如电压、电流或脉冲）的器件。图1 模拟开关的电路图例如，使用压力传感器可以获得随压力变化而变化的电压值，使用转速传感器可以把转速转换为对应频率的脉冲信号等。当然，如果直接针对电信号数据采集，则不需要使用传感器3
10、.2 显示单元设计隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和检测系统之间传递信号，避免直接的电连接。在数据采集系统中使用隔离的原因有两个：一方面是从安全角度考虑；另一方面是能使数据采集电路读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集电路的地与信号地之间有电位差，并且没有进行隔离处理，那么就有可能形成接地回路，引起误差。3.3 控制电路单元设计在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即多路巡回检测，这可以通过多路模拟选择开关来实现。非电量 模拟电量 数字量图2 A/D数模转换框图多路模拟开关的作用是将各个通道输入的模拟电压信号，依次接到放大器和A/D上3.4 等等电路路单元
11、（如采样/保持电路、A/D以及预处理模块等）都只需要一套即可，大大降低了系统的成本。图 3 A/D转换基本步骤但这仅仅是在信号变化比较缓慢、变化周期在数十到数百微秒之间的情况下比较适合，因为此时使用普通的数十微秒的A/D能够非常从容地分时处理这些信号。4 智能抢答器软件设计经过A/D数字化之后往往并不是最终需要的数据，为了提高系统的效率，减轻后级系统的负担，在数据采集系统中都会添加一个预处理单元。实现预处理功能的常用处理器有单片机、DSP和FPGA等。在雷达信号数据采集系统中常的预处理工作有预抽取、数字下变频(DDC)、滤波，如果处理器性能足够好，那么可以实时地实现一些运算量比较4.1 智能抢
12、答器软件流程组成系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常可以使用最低有效位值(LSB)占系统满刻度值的百分比表示，或使用系统所采用的A/D可以划分的级数来表示。表1列出了满刻度值为5V时数据采集系统的分辨率。表1 满刻度值为5V时数据采集的分辨率位 数级 别1LSB占满度值百分比1LSB对应电压值82560.391%19.5mV1240960.0244%1.22mV16655360.00153%76.2mV2010485760.0000954%4.77mV4.2 显示程序设计常用的超高速A/D芯片有AD9038，采样速率300MSPS，分辨率8位；MAXl00芯片，采样速
13、率250MSPS，分辨率8位。4.3 计时程序设计速度相匹配的A/D转换器；二是降低系统的总的速度(存储和读出速度)，在系统中添加延时电路，这和我们设计系统要求高速性产生矛盾。所以最好的方法就是换个转换速度高的A/D转换器，但这又存在一个问题，转换速度高，分辨率高的器件往往价格都较贵。出于对系统总的价格方面考虑，这里还是选择了A/D0809转换器。 4.4 防抖延时等等程序设计时钟电路是数据采集系统的重要组成部分，时钟作为电路工作的基准，如果质量不高会严重影响系统的可靠性和稳定性5 调试记录与仿真结果分析我们选用REGlll7和电压反相器MAX660分别产生了其余需要的三种电源。+25V和+1
14、5V电压由REGlll7产生，由MAX660电压反相器产生-5V电压。5.1 调试结果QutusH的设计输入、逻辑综合、布局布线、仿真校验和编程下载等功能都全部集成在统一的开发环境下，可以加快动态开发和调试，缩短开发周期。并且在Quartusll软件中还集成了SignalTaplI逻辑分析仪。 5.2 仿真结果分析根据系统设计要求，数据采集系统控制器可由四个模块组成：A/D转换控制模块。表2 ADC0809模拟输入电压与输出电压的关系进 制参考电压（Vref）为5.12V162高4位电压低4位电压000000.000.00100010.320.02200100.640.04300110.960
15、.06401001.280.08501011.600.10601101.920.12701112.240.14810002.560.16910012.880.18A10103.200.20B10113.520.22C11003.840.24D11014.160.26E11104.480.28F11114.800.30为了方便后续的电压数据显示，我们应将输出电压表示成12位的BCD码形式。如上述的2.56V是0010 0101 0110，0.12V是0000 0001 0010.所以相加结果2.68V是0010 0110 1000，因此必须设计一个12位的BCD码加法程序。控制打开三态缓冲器，把
16、转换好的8位数据结果输出至数据总线，由此完成一个工作过程。图 3 A/D转换模块仿真（未加去毛刺进程）由图中我们可以看到，D7.0为输入的8位二进制数，BCDOUT11.0为对应得到的12BCD码，在t=100s时，REGL=79H,BCDOUT=242H；t=560ms时，REGL=84H，BCDOUT=264H。6 心得体会目前，FPGA已从灵活的逻辑设计平台逐渐发展成为信号处理引擎。现在FPGA是软件无线电和数据采集系统中的主要元件，这是由于FPGA的灵活性和实时处理能力所致。参考文献1 徐海军，叶卫东FPGA在高性能数据采集系统中的应用J计算机技术与应用，20055：44-612 辛君
17、，黄松岭，刘立力基于FPGA的超多通道高速采集系统设计J电测与仪表，200812：125-1503 MEYERBAESE U，刘凌译数字信号处理的FPGA实现M北京：清华大学出版社，20064 郑燕，赫建国，党剑华基于VHDL语言与Quartus软件的可编程逻辑器件应用与开发北京：国防工业出版社，20075 黄科，艾琼龙EDA数字系统设计案例实践清华大学出版社，20106 Gottschalk，EShi Z. FPGA Curved Track Fitters and a Multiplierless Fitter Scheme，2008本科生能力拓展训练成绩评定表姓 名性 别男专业、班级自动化1001课程设计题目： 课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：序 号1选题合理，目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）3设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6答辩（20分）总 分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 2016 年 月 日
