1、本 科 毕 业 设 计基于 FPGA 的出租车计价器系统的设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着我国市场经济的发展,交通也越来越便利,特别是计程车,以快捷、方便的特点早已盛行各个城市,成为城市交通的重要工具。计程车市场从 90 年代初的起步阶段到现在已经进入了高峰期。随着城市化水平的提高和人民生活水平的改善,计程车的服务也就显得越来越重要。因此计程车计价器也就应运而生了。而出租车计价器系统中,随着可编程逻辑器件设计技术发展,每个逻辑器件中的门电路数量越来越多,一个逻辑器件就可以完成本来要由很多分立逻辑器件和存储芯片完成的功能。这样
2、做减少了系统所需要的功耗和成本,提高了性能和可靠性。FPGA 就是目前最受欢迎的可编程逻辑器件之一。本文的主要工作如下:首先简单介绍了 FPGA 的结构、发展、性能和设计流程。然后介绍了 VHDL 硬件描述语言、PLD 设计出租车计费系统,以 MA+PLUS软件作为开发平台。本设计中出租出计价器的硬件部分包括电源电路,下载配置的设计,FPGA 芯片及其外围电路,复位及 LED 等电路。论文的软件设计部分,给出了系统的总体框图、程序流程图。并对个功能模块进行了设计,包括信号输入模块,数据转换,显示模块,数据选择,数码管译码等模块。最后,以 MA+PLUS软件作为开发平台,设计了出租车计价器系统程
3、序并进行了程序仿真,得出了出租车计价器各个功能模块的时序图,仿真结果表明,本文设计的计价器可以实现预置和模拟汽车启动、停止、暂停等功能,并且能够动态扫描显示车费数目。关键词: FPGA, 出租车计价器,MA+PLUS,VHDL 语言IIAbstractWith the development of Chinas market economy, more and more convenient transportation, particularly taxis, to provide a quick, convenient features popular cities had become
4、an important tool for urban transportation. Taxi market from the initial stage of the early 90s to now have entered the peak period. With increased ion and improved living standards, taxi service will become increasingly important. So the taxi meter will come into being. The taxi meter ,system, with
5、 the programmable logical component design technique development, in each logical components gate quantity are getting more and more, a logical component may complete must originally the function which completes by many separation logic component and the memory chip. Did this reduced the power loss
6、which and the cost the system needed, enhanced the performance and the reliability. At present FPGA is one which of programmable logical components most receives welcome. This article prime task is as follows. First introduced the FPGA structure, the development, the performance and the design cycle
7、 simply. Then introduced the VHDL hardware description language, the PLD design rental car cost system, by MA+PLUSThe software achievement develops the platform In this design hires the fare register the hardware part including the power circuit, the downloading disposition design, the FPGA chip and
8、 the peripheral circuit, electric circuits and so on replacement and LED. The paper software design part, has given systems overall diagram, the program flow diagram. And has carried on the design to the functional module, including signal input module, data conversion, display module, data access,
9、modules and so on niietube decoding. By MA+PLUSThe software achievement develops the platform, has designed the rental car fare register system program and has carried on the procedure simulation, obtained the rental car fare register each functional module succession chart, the simulation result ha
10、d indicated that this article designed the fare register might realize the initialization and the simulation automobile starts, functions and so on stop, suspension, and could the dynamic scanning demonstration fare number. Key Words:FPGA;The rental car costs the system ;MA+PLUS;VHDL languageIII目 录第
11、 1 章 绪 论.11.1 FPGA 的概述 .11.2 FPGA 的性能和发展.11.2.1 FPGA 性能 .11.2.2 FPGA 发展历程.21.3 EDA 发展概况 .21.3.1 EDA 发展 .21.3.2 EDA 软件 .31.3.3 EDA 语言 .41.4 课题设计意义.4第 2 章 总体结构与工作原理.52.1 FPGA 结构 .52.2 FPGA 设计流程 .52.3 FPGA 的硬件结构图 .62.4 出租车计费工作原理.72.5 出租车计价器系统软件结构图.7第 3 章 基于 FPGA 的硬件设计.93.1 电源电路设计.93.2 下载配置的电路设计.93.3 FP
12、GA 芯片及其外围电路设计 .103.3.1 FPGA 芯片 .103.3.2 按键和 LED.113.3.3 复位.113.3.4 外部时钟.123.3.5 滤波电容.123.3.6 用户扩展接口.12第 4 章 出租车计价器系统的软件设计.13IV4.1 系统的总体框图.134.2 程序流程图.144.3 系统各功能模块的实现.144.3.1 信号输入模块 JIFEI 的实现.144.3.2 数据转换模块的实现.154.3.3 显示模块的实现.154.3.4 数据选择模块 SE 的实现.154.3.5 数码管译码模块 DI 的实现.164.4 设计方案的简介和介绍.164.4.1 硬件各模
13、块功能 .174.4.2 程序设计模块.19第 5 章 系统仿真.195.1 系统仿真介绍.195.2 信号输入模块的仿真结果.205.3 数据转换模块 JIFEI 的仿真结果.205.4 显示模块的仿真结果.215.5 数据选择模块 SE 的结果验证.215.6 数码管译码模块 DI 的结果验证.21结 论.22致 谢.23参考文献 .241第 1 章 绪 论1.1 FPGA 的概述FPGA(FieldProgrammable Gate Array) ,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD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
14、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。EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)缩写,在20世纪60年代的中期从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来 1。1.2 FPGA 的性能和发展1.2.1 FPGA 的性能actel公司于2005年1月24日在美国加利福尼亚总部发布了它的ProASIC3和ProASIC3E系列的FPGA。这是该公司第三代的基于Flash的可编程逻辑方案。这些新的SIC3最低价将达到1.5美元,代表了全球最低成本F
15、PGA,并且相对于基于SRAM的FPGA来说具有保密的优势。基于Flash的FPGA可以提供加密、低功耗、上电工作、可重复编程的方案功能。目前生产FPGA的公司主要有ilin、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic等生产的FPGA品种和型号繁多。尽管这些FPGA的具体结构和性能指标各有特色,但它们都有一个相同之处,即由逻辑功能块排成阵列,并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块,从而来实现不同的设计。典型的FPGA通常包含三类基本资源:可编程逻辑功能块、可编程输入/输出块和可编程互连资源。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元,多个逻辑功能块通常规则排成一个阵列结构,分
16、布于整个芯片,可编程输入/输出块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口,围绕在逻辑单元阵列四周;可编程内部互连资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关,它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来,构成特定功能电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系,从而实现所需的逻辑功能。不同厂家或不同型号的FPGA,在可编程逻辑块的内部结构、规模、内部互连的结构等方面经常存在较大的差异 4。1.2.2 FPGA 发展历程数字集成电路本身在不断进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是,随着微电子技术的发展,
17、设计与制造集成电路任务已不完全是由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片,而且希望ASIC的设计周期尽可能的短,最好在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片,并且立即投入实际应用之中,因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD),其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD) 10。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)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),
18、它能够完成各种数字逻2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是可以用“与一或”表达式来描述,所以, PLD能以乘积和的形式方法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的被置为寄存状态。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EEPROM技术,还有一类结构更加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
19、既有现场可编程的,也有掩膜可编程的。在PAL基础上,又发展了一种通用阵列逻辑GAL(Generic Array Logic),如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工艺,实现了电可按除、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ilin分别推出了类似于PAL结构的扩展型 CPLD(Comple Programmab1e Logic Dvice)和与标
20、准门阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array),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。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)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)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 3。1.3 EDA
21、发展概况1.3.1 EDA 发展系统集成芯片成为IC设计的发展方向,这一发展趋势表现在如下几个方面:超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高,深亚微米(Deep-Submicron)工艺,如0.18m,0.13m已经走向成熟,在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能。市场对电子产品提出了更高的要求,如必须降低电子系统的成本,减小系统的体积等,从而对系统的集成度不断提出更高的要求。高性能的EDA工具得到长足的发展,其自动化和智能化程度不断提高,为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。计算机硬件平台性能大幅度提高,为复杂的SoC设计提供了物理基础 12。1.3.2 EDA 软件EDA工具层出不
22、穷,目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有:EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、ViewLogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。这些工具都有较强的功能,一般可用于几个方面,例如很多软件都可以进行电路设计与仿真,同时以可以进行PCB自动布局布线,可输出多种网表文件与第三方软件接口。下面按主要功能或主要应用场合,分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件,进行简单介绍。3(1)电子电路设计与仿真工具电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE;EWB
23、;Matlab;SystemView;MMICAD等。(2) 、PCB设计软件PCB(PrintedCircuit Board)设计软件种类很多,如Protel; OrCAD;Viewlogic;PowerPCB; Cadence PSD;MentorGraphices的Epedition PCB;Zuken CadStart;Winboard/Windraft/Ive-SPICE;PCB Studio;TANGO等等。目前在我国用得最多应属Protel,下面仅对此软件作一介绍。(3) 、IC设计软件IC设计工具很多,其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Sy
24、nopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大公司也提供ASIC设计软件(熊猫2000) ;另外近来出名的Avanti公司,是原来在Cadence的几个华人工程师创立的,他们的设计工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡,非常适用于深亚微米的IC设计。(4) 、PLD设计工具PLD(Programmable Logic Device)是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前主要有两大类型:CPLD(Comple PLD)和FPGA(Field Programmable Gate Array)。它们的基本设计方法是借
25、助于EDA软件,用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,最后用编程器或下载电缆,由目标器件实现。生产PLD的厂家很多,但最有代表性的PLD厂家为ALTERA、ilin和Lattice公司。PLD的开发工具一般由器件生产厂家提供,但随着器件规模的不断增加,软件的复杂性也随之提高,目前由专门的软件公司与器件生产厂家合作,推出功能强大的设计软件。(5) 、其它EDA软件(1) VHDL语言 超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC Hardware Deseription Languagt,简称VHDL) ,是IEEE的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电
26、路(Very High Speed Integrated Circuit,简称VHSIC)计划,是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具。(2) Veriolg VHDL 是Verilog公司推出的硬件描述语言,在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋色。(3)其它EDA软件如专门用于微波电路设计和电力载波工具、PCB制作和工艺流程控制等领域的工具 14。1.3.3 EDA 语言硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分,VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言。 VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力,能从多个层次对数字系统进行建模和描述,从而大大简化了硬件设计任务,提高了设计效率和可靠性。
27、用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现,而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。从自然语言转换到VHDL语言算法表示,即自然语言综合。从算法表示转换到寄存器传输级(Register Transport Level,RTL),即从行为域到结构域的综合,即行为综合;RTL级表示转换到逻辑门(包括触发器)的表示,即逻辑综合;从逻辑门表示转换到版4图表示(ASIC设计),或转换到FPGA的配置网表文件,可称为版图综合或结构综合。有了版图信息就可以把芯片生产出来了。有了对应的配置文件,就可以使对应的FPGA变成具有专门功能的电路器件 2。1.4
28、课题设计意义出租车计价器是乘客与司机双方的交易准则,它是出租车行业发展的重要标志,是出租车中最重要的工具。它关系着交易双方的利益。具有良好性能的计价器无论是对广大出租车司机朋友还是乘客来说都是很必要的。因此,汽车计价器的研究也是十分有一个应用价值的。传统国内外出租车计价器多数由单片机实现,升级繁琐,成本高。以出租车多功能计价器为例,传统的计价器常以MCS251系列单片机为其核心主控部件,如89C51RC2,LPD78F0034等,该系列的单片机工作频率一般不大于24MHz,而且可扩展的资源有限, 最大能够扩展的程序空间和内存空间一般都只有64kB,很难胜任出租车多功能计价器的不断升级要求。传统
29、的计价器通常采用硬件模块化的设计结构,主要包括主控模块,电源模块, 按键显示模块,防作弊及脉冲输入模块以及税控模块等。在主控模块中又包括CPU 子模块, 语音识别子模块,串口通信子模块,复位、看门狗及电源监控子模块,打印子模块等,硬件电路复杂,不利于系统功能升级,容易在运营过程中产生干扰,影响系统的使用; 并且由于分立器件多,必然造成电源功耗大,芯片易发热,影响芯片的使用寿命。基于FPGA的出租车计价器不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题,而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低,特别是对小批量、多品种的产品需求,基于FPGA的出租车计价器已成首选。计费系统在各大、中城
30、市出租车中使用越来越广泛。针对现有计费系统通用性差的缺陷,本文采用ISP器件和VHDL语言开发了一套出租车计费系统;该计费系统的可靠性高、成本低、通用性强;该系统在不改变硬件电路的前提下,具有可以重构系统的功能,采用完全相同电路结构,只要根据各地区的需求在VHDL程序中设置各参数,就可以适应各地区出租车不同计费标准的需要,还可根据各地区需求增加其他功能。5第 2 章 总体结构与工作原理2.1 FPGA 结构Ov7620 控制信号产生器及数据接口FPGA 内部总线仲裁器SH4 接口地址产生器双口RAM双口RAM数据交换 数据交换图2.1 FPGA内部功能模块一般由三种可编程电路和一个用于存放编程
31、数据的SRAM 组成,这三种可编程电路包括可编程逻辑块(CLB)、输入/ 输出模块(IOB)和互联资( IR)。CLB是FPGA的主要组成部分,是实现逻辑功能的基本单元。它是由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接;一般排列在芯片的四周,主要由输入触发器、输入缓冲器、输出触发/ 锁存器和输出缓冲器组成。每一个IOB控制一个引脚,可被配置为输入、输出活双向I/ O功能。可编程互联资源包括各种长度的金属连线和一些可编程连接开关,它们将各个CLB之间和IOB之间互相连接起来,构成各种复杂功能的系统 14。2.2 FPGA 设计流程可编程逻辑器件的设计是指利用EDA开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。高密度复杂可编程逻辑器件的设计流程包括设计准备、设计输入、功能仿真、设计处理、时序仿真和器件编程及测试等七个步骤。(1) 设计准备 在系统设计之前,首先要进行方案论证、系统设计和器件选择等准备工作。设计人员根据任务要求,如系统的功能和复杂度,对工作速度和器件本身的资源、成本及连线的可布性等方面进行权衡,选择合适的设计方案和合适的器件类型。一般采用自上而下的设计方法,也可采用传统的自下而上的设计方法。(2) 设计输入设计人员将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来,并送入计算机的过程称为设计输入。设计输入通常有以下几种形式:
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