基于FPGA停车场停车位显示系统设计1.docx
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基于FPGA停车场停车位显示系统设计1.docx
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基于FPGA停车场停车位显示系统设计1
基于FPGA停车场停车位显示系统设计
毕业设计(论文)开题报告
1.文献综述:
结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,撰写2500字以上的文献综述,文后应列出所查阅的文献资料。
文献综述
1.引言
FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写,即现场可编程门阵列,它是在可编程阵列逻辑PAL(ProgrammableArrayLogic)、门阵列逻辑GAL(GateArrayLogic)、可编程逻辑器件PLD(ProgrammableLogicDevice)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(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)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。
FPGA能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74系列电路,都可以用FPGA来实现。
FPGA如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图什么是输入法,或是硬件描述语言自由设计一个数字系统。
通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。
在PCB完成以后,还可以利用FPGA的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。
使用FPGA来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。
PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了电子设计自动化EDA(ElectronicDesignAutomatic)软件和硬件描述语言VHDL(Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescription)的进步。
FPGA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。
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。
与门阵列等其它ASIC相比,它又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、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10,000件以下)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。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。
2.传感器
在本次设计中要用到位置传感器。
(一)传感器的定义
传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会(IEC:
InternationalElectrotechnicalCommittee)的定义为:
“传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号”。
按照Gopel等的说法是:
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”,而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。
传感器是传感系统的一个组成部分,它是被测量信号输入的第一道关口。
传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。
有两类:
有源的和无源的。
有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种,不需要外接的能源或激励源。
无源传感器不能直接转换能量形式,但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能,传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。
其“对象”可以是固体、液体或气体,而它们的状态可以是静态的,也可以是动态(即过程)的。
对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。
对象的特性可以是物理性质的,也可以是化学性质的。
按照其工作原理,它将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量,然后将此电信号分离出来,送入传感器系统加以评测或标示。
传感器原理结构:
在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥,即为基础扭矩传感器;在轴上固定着:
(1)能源环形变压器的次级线圈,
(2)信号环形变压器初级线圈,(3)轴上印刷电路板,电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。
在传感器的外壳上固定着:
(1)激磁电路,
(2)能源环形变压器的初级线圈(输入),(3)信号环形变压器次级线圈(输出),(4)信号处理电路。
(二)传感器的工作过程
向传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈,得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源,该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源,该电源既作为电桥电源,又作为放大器及V/F转换器的工作电源。
当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器LM131变换成频率信号,通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。
由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽,因此具有很强的抗干扰能力。
(三)传感器分类
倾角传感器
倾角传感器在军事、航天航空、工业自动化、工程机械、铁路机车、消费电子、海洋船舶等领域得到广泛运用。
辉格公司为国内用户提供全球最全面、最专业的产品方案和服务。
提供超过500种规格的伺服型、电解质型、电容型、电感型、光纤型等原理的倾角传感器。
加速度传感器(线和角加速度)
分低频高精度力平衡伺服型、低频低成本热对流型和中高频电容式加速度位移传感器。
总频响范围从DC至3000Hz。
应用领域包括汽车运动控制、汽车测试、家电、游戏产品、办公自动化、GPS、PDA、手机、震动检测、建筑仪器以及实验设备等。
红外温度传感器
广泛应用于家用电器(微波炉、空调、油烟机、吹风机、烤面包机、电磁炉、炒锅、暖风机等)、医用/家用体温计、办公自动化、便携式非接触红外温度传感器、工业现场温度测量仪器以及电力自动化等。
不仅能提供传感器、模块或完整的测温仪器,还能根据用户需要提供包括光学透镜、ASIC、算法等一揽子解决方案。
传感器的应用传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等。
3.MAX+PLUSⅡ简介
随着计算机的出现,我们的日常学习、生活和工作从根本上发生了改变,电子/微电子技术的发展,使电子产品的设计活动与计算机设计系统密不可分。
MAX+PLUSⅡ可编程逻辑开发软件,该软件是Altera公司推出的第三代PLD开发系统。
它提供了一种与结构无关的设计环境,使AlteraCPLD设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。
MAX+PLUSⅡ提供了全面的逻辑设计能力,包括电路图、文本和波形的设计输入以及编译、逻辑综合、仿真和定时分析以及器件编程等诸多功能。
特别是在原理图输入等方面,MAX+PLUSⅡ被公认为是最易使用、人机界面最友好的PLD开发软件。
MAX+PLUSⅡ可以开发除APEX20K以外的任何CPLD/FPGA。
MAX+PLUSⅡ由设计输入、设计处理、设计校验和器件编程等四部分组成,用它开发AlteraCPLD器件的具体过程如下:
1、图形输入
利用MAX+PLUSⅡ软件进行逻辑设计的输入方法有原理图输入、文本输入和其它EDAtool生成的EDIF网表输入,其中原理图设计输入最为直接,且容易实现仿真、便于电路调整,是一种常用的方式。
其步骤为:
(1)指定设计项目名称。
启动MAX+PLUSⅡ后,在File菜单中选ProjectName,键入设计项目名,点OK按钮后MAX+PLUSⅡ的标题条将显示新的项目名字;
(2)建立新文件。
在File菜单中选New,选GraphicEditor,然后按下OK按钮,会出现一个图形编辑窗口;
(3)输入图元、74系列符号和宏功能符号。
在图形编辑窗口的空白处单击鼠标右键,选EnterSymbol,在SymbolLibraries框中选…\maxplus2\max2lib\prim路径,再找到所需的图元(如两输入与门and2),双击后图元会出现在图形编辑窗中;同理在…\maxplus2\max2lib\mf路径中可输入所需的74系列符号(如74373);在…\maxplus2\max2lib\mega__lpm路径中可输入所需的LPM符号如lpm__mult);
(4)连线。
将鼠标移至一个端口处,此时鼠标指示符自动变为“+”形状,然后按住鼠标拖至待连的另一个端口,放开左键即画好一条线;
(5)放置输入输出引脚。
在图形编辑窗口的空白处单击鼠标右键,选EnterSymbol,在SymbolName框中键入input或output,则输入或输出符号会出现在图形编辑窗中。
(6)为引脚和引线命名。
在INPUT或OUTPUT引脚的PIN__NAME处双击鼠标左键,然后输入指定的名字即可;选中需命名的引线(单击后引线变高亮),可为引线命名;
(7)保存文件。
在File菜单中选Save(或SaveAs重新命名)可保存文件。
2、项目编译
MAX+PLUSⅡ编译器可以检查项目中的错误并进行逻辑综合,将项目最终设计结果加载到Altera器件中去,并为模拟和编程产生输出文件。
主要工作有:
(1)选择器件。
在Assign菜单内选Device项,出现Device对话框,在DeviceFamily框选某一器件,比如要选MAX7000S系列84脚PLCC封装6ns的7128S器件,可在Device框选EPM7128SLC84-6;
(2)分配引脚。
通常编译器可自动对项目进行引脚分配,但也可以人为分配引脚,方法是在AssignMenu菜单中选Pin/Location/Chip,然后在NodeName框内输入引脚名,在ChipResource框内选引脚号,按下Add按钮,按下OK按钮即可。
(3)打开编译器窗口。
在MAX+PLUSⅡ菜单中选Compiler,会出现编译器窗口;
(4)运行编译器。
在编译器窗口中点击Start按钮,就开始对所要的编译项目进行处理。
如有错误信息,可用鼠标选中该错误,并按下Locate按钮,从而找到错误位置并改正。
3、阅读报告文件
编译完成后,可双击编译器窗口中的报告文件(*.rpt)图标,打开文本编辑器,可看到器件一览表、项目编译信息、文本层次结构以及资源使用、逻辑单元互连等情况。
4、观察试配结果
在MAX+PLUSⅡ菜单中选FloorplanEditor,会出现底层图编辑器窗口,在这里可观察到器件封装的所有引脚以及它们的功能(器件视图),同时可观察到所有LAB及其单个逻辑单元(逻辑阵列块视图),如有必要,还可编辑修改当前的分配。
5、在线编程
一个项目在设计输入和编译完成后,就可对器件编程了。
这里选用并口下载电缆ByteBlaster的JTAG模式进行在线编程。
ByteBlaster下载电缆包括与PC机并口相连的25针阳性插座头、与PCB板相连的10针插头和25针到10针的变换电路。
采用MAX+PLUSⅡ软件开发CPLD,设计速度是很快的,对于一个几千门的电路,从设计输入到器件编程完毕、用户拿到设计好的逻辑电路,大约只需几小时,而设计处理一般在数分钟内可完成。
此外,使用MAX+PLUSⅡ的设计者无需精通器件内部的复杂结构,利用并口下载电缆ByteBlaster的JTAG模式又可进行在系统编程,这给电路设计人员提供了一种快速高效的电路设计方法和花费极低的编程手段,因而带来极大方便。
4.结束结
通过阅读大量的文献资料,强化了关于硬件描述语言方面的理论知识,也更进一步加强了对MAX+PLUSⅡ软件的掌握和应用。
在整个学习和揣摩的过程中会有很多小麻烦,但是我都努力争取去攻克,从而慢慢学到了很多东西。
逐渐对课题设计有了大概的思路框架。
例如在设计中要注意布线和层数的确定,首先应对元器件分组,同组的放在一起,以便在空间上保证各组的元器件不至于相互干扰。
在FPGA设计中,分组时一般以FPGA芯片为“核心”。
不相容的器件要分开布置,例如发热元件远离关键集成电路,磁性元件要屏蔽,敏感器件则应远离CPC时钟发生器等等。
连接器及其引脚应根据元器件在板上的位置确定。
所有连接器最好放在印制板的一侧,尽量避免从两侧引出电缆,以便减小共模电流辐射,如本设计中的PCI连接卡。
高速器件(频率大于10MHz或上升时间小于2ns的器件)尽可能远离连接器等。
5.参考文献
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毕业设计(论文)开题报告
2.开题报告:
一、课题的目的与意义;二、课题发展现状和前景展望;三、课题主要内容和要求;四、研究方法、步骤和措施
开题报告
一、课题的目的和意义
本课题是要设计一个100个停车位的停车场车位显示系统,设计要求用10*10点阵表示停车场的100个车位,灯亮表示该车位为空,灯熄灭表示该车位有车。
用传感器检测某个停车位上有无车辆,设计其测量转换电路。
整个设计中用硬件描述语言来完成,并用MAX+PLUSⅡ进行仿真,仿真过程中参数设置比较关键。
最后要对仿真结果认真系统分析。
二、课题发展现状和前景展望
随着城市化建设的加快城市框架逐步加大,以及制造业的快速发展汽车价格的快速下降,轿车已逐步成为百姓日常生活中不可或缺的交通工具。
近年来,各类车辆特别是私家车的快速增长已是一个不争的事实,为此,交通基础设施建设与城市整体规划争土地的问题就成了日益突出的一个急需完成的重要课题。
传统的人工管理的停车场已经不能满足使用者和管理者对停车场效率、安全、性能和管理上的需要。
因此,智能化停车场已经成为智能建筑技术中的研究热点。
近几年,我国停车场管理技术不断成熟,停车场管理系统逐步向大型化、复杂化和高科技化方向发展。
智能停车场管理系统提供了一种高效率的管理方式,为用户提供更方便、更有效的服务。
停车场管理系统可分为半自动化和自动化两种。
所谓半自动化停车场管理系统,只是收费需要人工操作,其它所有功能都是自动化;而全自动化停车场管理系统,设立自动收费站,无需操作员即可完成收费管理工作。
按其所在环境不同,可分为内部车场自动管理系统、公用停车场自动管理系统和两种性能兼有的综合停车场管理系统三大类。
现代停车场技术发展趋势是多功能化、自动化。
现代停车场未来向大型化、复杂化、智能化、高技术方向发展,系统管理更开放、更灵活,整个管理系统实现控制与管理一体化,系统操作简便,功能强大。
车辆管理系统向更开放与更灵活的方向发展。
目前许多大型建筑智能化信息化发展,车库系统经常作为楼宇自控系统的一个子系统纳入建筑自动化网络,使远距离的管理人员可以监视与控制车库情况。
本课题基于FPGA停车场停车车位显示系统的设计可以让有限的土地发挥最大的效能。
充分利用城市内现有停车场,用尽可能少的停车位发挥最大停车效果。
三、课题主要内容和要求
1、主要内容
设计一个100个停车位的停车场车位显示系统:
(1)用10*10点阵表示停车场的100个车位,灯亮表示该车位为空,灯熄灭表示该车位有车。
(2)用传感器检测某个停车位上有无车辆,设计其测量转换电路。
(3)对单元电路进行仿真分析。
2、课题要求
(1)绘制与设计相关的原理图,框图;
(2)绘制底层电路和顶层电路的原理图,框图,仿真波形;
(3)对仿真结果进行分析。
四、研究方法、步骤和措施
FPGA开发流程主要分为以下几个部分:
1、设计输入,利用HDL输入工具、原理图输入工具或状态机输入工具等把所要设计的电路描述出来。
2、功能验证,也就是前仿真,利用仿真工具对设计进行仿真,检验设计的功能是否正确。
仿真过程能及时发现设计中的错误,加快了设计进度,提高了设计的可靠性。
3、综合,综合优化是把HDL语言翻译成最基本的与或非门的连接关系(网表),并根据要求(约束条件)优化所生成的门级逻辑连接,输出edf和edn等文件,导给CPLD/FPGA厂家的软件进行实现和布局布线。
4、布局布线,综合的结果只是通用的门级网表,只是一些门与或非的逻辑关系,与芯片实际的配置情况还有差距。
此时应该使用FPGA/CPLD厂商提供的实现与布局布线工具,根据所选芯片的型号,进行芯片内部功能单元的实际连接与映射。
这种实现与布局布线工具一般要选用所选器件的生产商开发的工具,因为只有生产者最了解器件内部的结构,如在ISE的集成环境中完成实现与布局布线的工具是FlowEngine。
5、时序验证,其目的是保证设计满足时序要求,即setup/holdtime符合要求,以便数据能被正确的采样。
时序验证的主要方法包括STA(StaticTimingAnalysis)和后仿真。
在后仿真中将布局布线的时延反标到设计中去,使仿真既包含门延时,又包含线延时信息。
这种后仿真是最准确的仿真,能较好地反映芯片的实际工作情况。
仿真工具与综合前仿真工具相同。
6、生成并下载BIT或PROM文件,进行板级调试。
相比较而言,FPGA设计流程的其他环节由于需要人为干预的东西比较少,例如综合、布局布线等流程,基本所有的工作都由工具完成,设置好工具的参数之后,结果很快就可以出来,因此所花的时间精力要比验证少的多。
在明确课题任务及要求后,我按照要求搜集课题所需的资料,掌握资料查阅方法。
具体时间安排如下:
(1)1月20日—22日:
老师布置毕业设计课题,了解课题有关方面知识,并指导我们如何查找资料。
(2)3月1日—10日:
查阅相关资料,了解本课题的发展历史和研究应用现状,确定课题总体方案,明确课题任务等。
(3)3月11日—22日:
认真的学习并掌握仿真软件MAX+PLUSⅡ的使用方法,并且能够使用VHDL语言对电路进行描述和仿真,能对仿真波形进行分析。
(4)3月13日—20日:
深圳通达电子有限公司毕业实习。
(5)3月29日—4月5日:
根据设计要求,撰写文献综述和开题报告。
(6)4月10日—5月10日:
在导师的指导和帮助下完成设计的主体部分。
(7)5月11日—5月17日:
系统仿真,对设计进行修改。
(8)5月17日—5月30日:
编写毕业设计论文和答辩资料,准备答辩。
总的措施是我为了成功完成这次毕业设计,首先在导师的帮助下了解掌握课题的内容和所需要研究的对象,然后查阅学校图书馆的资料和搜索下载网上有关资料,再对资料进行整理、理解。
在平时利用自己的时间学习软件和电气与信息工程系提供的实验室作系统调试、仿真,最后进行毕业设计论文、答辩资料的编写准备答辩。
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