基于FPGA技术的微波炉控制器论文.doc
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南昌工程学院(本)毕业设计(论文)
南昌工程学院
毕业设计(论文)
信息工程学院系(院)电子信息工程专业
毕业设计(论文)题目基于FPGA技术的微波炉控制器
学生姓名荆玉峰
班级06电子信息工程
(1)班
学号2006100173
指导教师谢剑锋
完成日期2010年6月13日
25
南昌工程学院
毕业设计(论文)任务书
I、毕业设计(论文)题目:
基于FPGA技术的微波炉控制器设计
II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求:
1.用FPGA设计微波炉控制器电路;
2.可设置烹调时间;
3.具有显示功能。
4.用MAXPLUSII软件仿真。
5.硬件调试
III、毕业设计(论文)工作内容及完成时间:
3.29~4.15完成开题报告;
4.15~5.1软件设计及仿真;
5.2~6.10硬件调试;
6.11~7.1撰写论文。
Ⅳ主要参考资料:
1.UweMeyer-Baese.数字信号处理的FPGA实现[M],北京:
清华大学出版社,2002
2.(英)渥伦斯基DigitalSystemDesignwithVHDL,SecondEdition[M]工业出版社2004.07
3.侯伯亨,顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安:
西安电子科技大学出版,1999
4.StephanW.Mondwurf.BENEFITSOFTHECORDIC-ALGORITHMINAVERSATILECOFDMMODULATOR/DEMODULATORDESIGN[M].FourthIEEEInternationalCaracasConferenceonDevices,Circuits
andSystems[C].Aruba,April17~19,2002.
电子工程系电子信息工程专业类1班
学生:
荆玉峰
日期:
自2010年3月8日至2010年6月20日
指导教师:
谢剑锋
助理指导教师(并指出所负责的部分):
教研室主任:
附注:
任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。
基于FPGA技术的微波炉控制器
MicrowavecontrollerbasedonFPGAtechnology
总计毕业设计(论文)26页
表格2个
插图10幅
摘要
本论文介绍了应用FPGA芯片和硬件描述语言(VHDL)设计微波炉控制器系统的方法,系统用VHDL编程实现各底层模块的功能,用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计,并且具有多层次的设计描述功能,应用顶层设计用图形输入完成。
文章着重讲述了模块化设计思想和状态图描述方法在微波炉控制器中的应用,并展示了其在MAX+plusII下的部分仿真结果,获得正确的功能实现并用开发系统作了直观的展示,体现了硬件描述语言在电子设计自动化(EDA)中的方便应用,从而使得本设计更加具有实用价值。
关键词:
微波炉控制器VHDL状态机MAX+plusII仿真
Abstract
ThispaperdescribestheapplicationofFPGAchipsandhardwaredescriptionlanguage(VHDL)designmethodofmicrowaveovencontrolsystem,thesystemusingVHDLprogrammingallthefunctionsoftheunderlyingmodules,top-leveldesigncompletewithagraphicinput.Usingthecodethatinacleartodescribethecomplexcontrolledlogicdesign,andthedesignofmultipledescriptionfunction.Thispapermainlydescribestheideaofmodulardesignandstatediagramsmethodappliedinthemicrowaveovencontroller,anddemonstrateitsMAX+plusIIundersomesimulationresultstoobtainthecorrectfunctionofthesystemtoachieveandmadewiththedevelopmentofvisualdisplay,reflectinghardwaredescriptionlanguageintheelectronicdesignautomation(EDA)tofacilitateapplicationin.Somakethedesignmorepracticalvalue.
Keywords:
microwaveovencontrollerVHDLstatemachineMAX+plusIIsimulation
目录
摘要 IV
Abstract V
第一章引言 1
1.1研究背景 1
1.1.1产品背景介绍 1
1.1.2国内产品发展现状 1
1.1.3产品发展趋势 1
第二章概述 3
2.1VHDL简介 3
2.1.1VHDL的特点 3
2.1.2VHDL的设计步骤 4
2.1.3VHDL的设计简述 5
2.1.4VHDL的描述风格 5
2.2FPGA介绍 6
2.2.1发展历史 6
2.2.2FPGA的基本特点 7
2.2.3FPGA的优点 8
2.3Max+plusⅡ介绍 8
第三章系统设计 10
3.1系统设计要求 10
3.2系统设计方案 10
3.2.1微波炉控制器的总体设计方案 10
3.2.2状态控制器KZQ的设计 11
3.2.3数据装载器ZZQ的设计 12
3.2.4烹调计时器JSQ的设计 12
3.2.5显示译码器YMQ47的设计 13
3.3主要VHDL源程序 14
3.3.1状态控制器KZQ的VHDL源程序 14
3.3.2数据装载器ZZQ的VHDL源程序 16
3.3.4显示译码器YMQ47的VHDL源程序 20
3.4系统仿真/硬件验证 21
3.4.1系统的有关仿真 21
3.5设计技巧分析 22
3.6系统扩展思路 23
总结致谢 24
参考文献 26
第一章引言
1.1研究背景
1.1.1产品背景介绍
PercyL.Spencer在1946年构想出微波炉的概念,在1950年取得专利。
微波炉的运作机制为微波在水中能产生摩擦热的原理。
早期微波炉尺码庞大,重量超过300公斤和高度超过1.5米,所以主要在大型餐厅和食物市场使用。
第一部家用微波炉是在1965年由Raytheon集团生产。
1.1.2国内产品发展现状
现在,中国已成为全球最大的微波炉生产基地,据估计,中国微波炉年产量已达2000万台左右,从2001年中国市场的需求量来看,约在700万台左右。
中国微波炉市场经过前几年的洗牌,已由前几年的300多家减少至目前的100多家,其中在市场上可统计的仅30多家。
洋品牌在早期的微波炉市场份额,几乎占据了绝大部分的市场。
但初期由于微波炉市场属于导入期,价格高,消费者接受的少,自1996年以后,惠而浦、松下等大部分都退出了中国市场,主要以出口为主。
1998年后,外资品牌中以韩国品牌LG、三星表现较为突出,逐渐跨入第2、第3名,微波炉第一品牌为格兰仕。
2000年,美的介入,迅速崛起成为行业第三,三星也逐渐退出市场。
经过60年的发展,微波炉已经成为人们日用生活中的必不可少的厨房电器,大大降低了家庭妇女的工作量和工作强度。
据统计,微波炉目前在日本、美国、西欧等发达国家地区的普及率高达98%,在中国城镇的普及率也已近90%。
这个数字甚至超过了彩电和洗衣机的普及程度。
1.1.3产品发展趋势
随着人们生活水平的提高和信息化的发展,家用电器层出不穷,各种功能也越来越完善,其中微波炉是现代家庭的必备产品,它的质量和性能的高低,将会极大的影响人们的生活水平和质量。
为此,设计一个高质量的微波炉控制系统是非常有必要的。
微波炉开始进入越来越多的家庭,他给人们的生活带来了极大的方便。
微波炉由2450MHz的超高频来加热食物。
他省时、省电、方便和卫生,作为现代的烹饪工具,微波炉的控制器体现着他的重要性能指标。
目前大部分微波炉控制器采用单片机进行设计,带南路比较复杂性能不够灵活。
本文采用先进的EDA技术,利用MAX+plusll工作平台和VHDL设计语言,设计了一种新型的微波炉控制器芯片,该芯片具有系统复位、时间设定和烹饪计时的功能,用一片FPGA芯片实现,所以能设计出一款方便安全操作的微波炉是非常有必要的。
第二章概述
2.1VHDL简介
随着VLSI、EDA(ElectronicDesignAutomation)工具的迅速发展,用户系统的设计从单纯的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)设计向着系统单片化SOC(SystemOnaChip)设计的方向发展。
同时网络技术的发展,共享IP知识产权的开放式系统设计成为新模式,芯片工艺物理设计与系统设计相分离,使用户系统设计人员可直接从事芯片设计。
多种技术的融合,系统的功能复合化程度越来越高;对系统设计方法学和工具的要求更高;系统设计日趋软件硬化、硬件软化,并使两者得到了有机的融合,形成了更为强大的ESDA(ElectronicSystemDesignAutomation)。
VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)是IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)标准的硬件描述语言,是现代电子系统设计的首选硬件设计计算机语言。
本篇介绍VHDL的语法基础、用VHDL进行系统设计的基本方法、以及VHDL的设计实例等。
从宏观的角度看,VHDL的语法构成了程序的各组成部分;微观上看VHDL的语法是各种语句的运用细节。
本章在VHDL的特性之后,从这两个角度简要介绍VHDL的语法基础。
硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)诞生于1962年。
HDL是用形式化的方法描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。
主要用于描述离散电子系统的结构和行为。
与SDL(SoftwareDescriptionLanguage)相似,经历了从机器码(晶体管和焊接)、汇编(网表)、到高级语言(HDL)的过程。
20世纪80年代美国国防部开发VeryHighSpeedIntegratedCircuit—VHSIC,用于描述集成电路的结构和功能。
此后,硬件描述语言向标准化方向发展,1987年成为IEEEStandard1076,称为VHDL语言。
它也是美国国防部标准(MIL-STD-454L)。
1993年该标准增修为IEEE1164标准。
1996年,再次加入电路合成的标准程序和规格,成为IEEE1076.3标准。
1995年VerilogHDL也成为IEEE标准。
VHDL与VerilogHDL一起成为业界主选的硬件描述语言。
2.1.1VHDL的特点
应用VHDL进行系统设计,有以下几方面的特点。
(一)功能强大
VHDL具有功能强大的语言结构。
它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。
并且具有多层次的设计描述功能,支持设计库和可重复使用的元件生成。
VHDL是一种设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。
(二)可移植性
VHDL语言是一个标准语言,其设计描述可以为不同的EDA工具支持。
它可以从一个仿真工具移植到另一个仿真工具,从一个综合工具移植到另一个综合工具,从一个工作平台移植到另一个工作平台。
此外,通过更换库再重新综合很容易移植为ASIC设计。
(三)独立性
VHDL的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。
设计者可以不懂硬件的结构,也不必管最终设计实现的目标器件是什么,而进行独立的设计。
程序设计的硬件目标器件有广阔的选择范围,可以是各系列的CPLD、FPGA及各种门阵列器件。
(四)可操作性
由于VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能,对于已完成的设计,在不改变源程序的条件下,只需改变端口类属参量或函数,就能轻易地改变设计的规模和结构。
(五)灵活性
VHDL最初是作为一种仿真标准格式出现的,有着丰富的仿真语句和库函数。
使其在任何大系统的设计中,随时可对设计进行仿真模拟。
所以,即使在远离门级的高层次(即使设计尚未完成时),设计者就能够对整个工程设计的结构和功能的可行性进行查验,并做出决策。
2.1.2VHDL的设计步骤
采用VHDL的系统设计,一般有以下6个步骤。
1)要求的功能模块划分;
2)VHDL的设计描述(设计输入);
3)代码仿真模拟(前仿真);
4)计综合、优化和布局布线;
5)布局布线后的仿真模拟(后仿真);
6)设计的实现(下载到目标器件)。
2.1.3VHDL的设计简述
VHDL描述数字电路系统设计的行为、功能、输入和输出。
它在语法上与现代编程语言相似,但包含了许多与硬件有特殊关系的结构。
VHDL将一个设计称为一个实体Entity(元件、电路或者系统),并且将它分成外部的可见部分(实体名、连接)和内部的隐藏部分(实体算法、实现)。
当定义了一个设计的实体之后,其他实体可以利用该实体,也可以开发一个实体库。
所以,内部和外部的概念对系统设计的VHDL是十分重要的。
外部的实体名或连接由实体声明Entity来描述。
而内部的实体算法或实现则由结构体Architecture来描述。
结构体可以包含相连的多个进程process或者组建component等其他并行结构。
需要说明的是,它们在硬件中都是并行运行的。
VHDL程序设计的基本结构如下:
库、程序包
实体Entity
结构体Architecture:
进程process、
组件component等
配置Configuration
表格2.1VHDL程序设计的基本结构
一个实体可以对应一个或者多个结构体。
结构体可以包含一个或者多个进程或者组件。
2.1.4VHDL的描述风格
设计实体的逻辑功能由VHDL的结构体具体描述。
用户可以使用不同程度的语句类型和抽象方式来描述不同程度的设计。
例如系统级的、板级的、芯片级的或者模块级的设计。
对于相同的逻辑行为可以有不同的语句表达方式。
在VHDL结构体中这种不同的描述方式或者说建模方法,通常可归纳为行为(Behavioral)级描述、数据流(Dataflow)级描述和结构(Structural)级描述。
(一)行为级描述
通过一组串行的VHDL进程,反映设计的功能和算法,而没有直接指明或涉及实现这些行为的硬件结构,包括硬件特性、连线方式和逻辑行为方式。
行为级描述主要指顺序语句描述,即通常是指含有进程的非结构化的逻辑描述。
(二)数据流级描述
将数据看成从设计的输入端流到输出端,反映从输入数据到输出数据所发生的立即变换。
数据流描述主要是指非结构化的并行语句描述;是建立在用并行信号赋值语句描述基础上的。
数据流描述方式可比较直观地表达底层逻辑行为。
(三)结构级描述
将设计看成多个功能块的相互连接,并且主要通过功能块的组件例化来表示。
结构级描述方式采用了结构化、模块化的设计思想,适合于大型复杂性设计。
VHDL通过这三种描述方法或称描述风格,从不同的侧面描述结构体的行为方式。
其中,行为描述的抽象程度最高,最能体现VHDL描述高层次结构和系统的能力。
正是VHDL语言的行为描述能力使自顶向下的设计方式成为可能。
在实际应用中,为了能兼顾整个设计的功能、资源和性能几方面的因素,通常将以上三种描述方式混合使用。
2.2FPGA介绍
2.2.1发展历史
早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除只读存储器(EPROM)和电可擦除只读存储器(E2PROM)三种。
由于结构的限制,它们只能完成简单的数字逻辑功能。
其后出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片,即可编程逻辑器件(PLD),它能够完成各种数字逻辑功能。
典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成,而任意一个组合逻辑都可以用“与—或”表达式来描述,所以PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。
这一阶段的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。
PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成,或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。
PAL器件是现场可编程的,它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和E2PROM技术。
还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA),它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成,但是这两个平面的连接关系是可编程的。
PLA器件既有现场可编程的,也有掩膜可编程的。
在PAL的基础上又发展了一种通用阵列逻辑(GAL,GenericArrayLogic),如GAL16V8、GAL22V10等。
它采用了E'PROM工艺,实现了电可擦除、电可改写,其输出结构是可编程的逻辑宏单元,因而它的设计具有很强的灵活性,至今仍有许多人使用。
这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。
为了弥补这一缺陷,20世纪80年代中期,Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD(ComplexProgrammableLogicDvice)和与标准门阵列类似的FPGA(FieldProgrammableGateArray),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。
这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。
与门阵列等其他ASIC(ApplicationSpecificIC)相比,它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品不需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10000件以下)之中。
几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。
FPGA是英文FieldProgrammableGateArry的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
2.2.2FPGA的基本特点
FPGA采用了逻辑单元阵列(LOA,LogicCellArry)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块(CLB,ConfigurableLogicBlock)、输入输出模块(IOB,InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。
FPGA的基本特点主要有:
(1)采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产就能得到合用的芯片;
(2)FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的试样片:
(3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚;
(4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一;
(5)FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度和可靠性的最佳选择之一。
目前FPGA的品种很多,有XILINX的xc系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的。
因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方式。
加电时,FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。
掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失。
因此,FPGA能够反复使用。
FPGA的编程不需专用的FPGA编程器,只需用通用的EPROM、PROM编程器即可。
当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。
这样,同一片FPGA、不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。
因此,FPGA的使用非常灵活。
FPGA有下面4种配置模式:
(1)并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;
(2)主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA:
(3)串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;
(4)外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。
2.2.3FPGA的优点
FPGA芯片都是特殊的ASIC芯片,除了具有ASIC的特点之外,还具有以下3个优点。
①随着超大规模集成电路(VLSI,VeryLargeScaleIC)工艺的不断提高,单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管,FPGA/CPLD芯片的规模也越来越大,其单片逻辑门数已达到上百万门,它所能实现的功能也越来越强,同时也可以实现系统集成。
②FPGA/CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试,不需要设计人员承担投片风险和费用,设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。
所以,FPGA/CPLD的资金投入小,节省了许多潜在的花费
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