基于FPGA高精度数字频率计设计.doc

1、 1 开展本课题的意义及工作内容 :草鱼 草鱼 在电子工程 ， 鲤鱼 资源勘探 ， 鲤鱼 仪器仪表等相关应用中 ， 鲤鱼 频率计是工程技术人员必不可少的测量工具 ， 鲤鱼 频率测量也是电子领域里的一项重要内容 ， 鲤鱼 而高精度频率计的应用尤为广泛 ， 鲤鱼 不少物理的测量 ， 鲤鱼 如转速 、 pork振动频率等 测量都涉及到或可以转化为频率的测量 ， 鲤鱼 多功能频率计设计的完成可以实现 。 草鱼 采用了在 FPGA芯片上实现高精度频率计的设计原理和具体的 VHDL语言编程思路 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 课题工作的总体安排及进度 ： p ork草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 第一周

2、 ： pork根据论题内容查找有关资料 ， 鲤鱼 做好毕业设计的前期工作 ， 鲤鱼并与指导老师讨论相关设计相关计划 ， 鲤鱼 便于今后更好进行 ， 鲤鱼 写好开题报告 草鱼 草鱼 草鱼 第二周至第七周 ： pork软件的设计 ， 鲤鱼 撰写论文 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 安排如下 ： pork草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2月下旬对 VHDL语言进一步加强巩固 ， 鲤鱼 为更好地编写程序 ； p ork草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 3 月份主要工作在于软件设计和进行实验验证结果 ； pork草鱼 草鱼

3、 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 3月下旬至 4月上旬进行论文撰写及修改的完成 草鱼 草鱼 草鱼 第八周 ： pork准备答辩 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 课题预期达到的效果 ： p ork草鱼 所测频率可以进行自动换档的数字频率计 ,且高位显示档位 ， 鲤鱼 并有秒表功能 。 草鱼第 0 档 ： porka 100； pork第 1 档 ： porka 101； pork第 2 档 ： porka 102;pork第 3 档 ： porka 103;pork第 4 档 ： porka 104； pork第 5 档 ： porka 105（基本单位 ：

4、 p orkHZ， 鲤鱼 a： pork读数） 草鱼 草鱼 草鱼 二 、 por k文献综述 草鱼 20世纪末 ， 鲤鱼 数字电子技术得到了飞速发展 ， 鲤鱼 有力地推动和促进了社会生产力的发展和社会信息化的提高 ，鲤鱼 数字电子技术的应用已经渗透到 人类生活的各个方面 。 草鱼 从计算机到手机 ， 鲤鱼 从数字电话到数字电视 ， 鲤鱼 从家学生应具 草鱼 备的条件 具有 EDA 专业知识 ， 鲤鱼 并有分析问题的能力和了解频率计的构造原理 ， 鲤鱼 Max 草鱼 Plus的使用 主要 草鱼 研究 草鱼 内容 草鱼 草鱼目标 草鱼草鱼 特色 1 完成以 FPGA 芯片为核心 ， 鲤鱼 采用硬件

5、描述语言来设计数字频率计 草鱼 2. 草鱼 根据个人设计项目 ， 鲤鱼 系统分析各模块后编写程序 ， 鲤鱼 完成在 FPGA 芯片上的调试并最终完成设计论文的撰写 。 草鱼草鱼 3. 草鱼 完成数字频率计的设计 ， 鲤鱼 采用模块法进行一一分析且仿真 草鱼 4. 草鱼 运用 Max 草鱼 Plus编写程序 ， 鲤鱼 并进行波形 仿真和在 FPGA 芯片上调试且优化程序 草鱼 5.根据设计要求进行综合调试 ， 鲤鱼 并最终完成设计任务和论文的撰写 草鱼 草鱼 成果 草鱼 描述 草鱼 设计一个能够将所测频率分为六档 进行自动换档 的数字频率计 ,且 高位显示档位 ， 鲤鱼 并有秒表功能 。 草鱼

6、第 0 档 ： porka 100； pork第 1 档 ： porka 101； pork第 2 档 ： porka 102;pork第 3 档 ： porka 103;pork第 4 档 ： porka 104； pork第 5档 ： p orka 105（基本单位 ： porkHZ， 鲤鱼 a： pork读数） 。 草鱼草鱼 成果 草鱼 价值 草鱼 频率计是工程技术人员必 不可少的测量工具 ， 鲤鱼 也是电子领域里的一项重要内容 而高精度频率计的应用尤为广泛 ， 鲤鱼 不少物理的测量 ， 鲤鱼 如转速 、 pork振动频率等测量都涉及到或可以转化为频率的测量 ， 鲤鱼 多功能频率计设计的

7、完成可以实现 。 草鱼 2 用电器到军用设备 ， 鲤鱼 从工业自动化到航天技术 ， 鲤鱼 都尽可能采用了数字电子技术 。 草鱼 草鱼 现代电子设计技术的核心是 EDA技术 。 草鱼 EDA技术就是以计算机为工具 ， 鲤鱼 在 EDA软件平台上 ， 鲤鱼 对硬件语言 HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件 ， 鲤鱼 自动的完成逻辑编译 、 pork逻辑化简 、 pork逻辑综合及优化 、 pork逻辑仿真 ， 鲤鱼 直至对特定目标芯片的适配编译 、 pork逻辑映射和编程下载等工作（文本选用的开发工具为 Altera公司的 MAX+PLUSII） 。 草鱼 EDA的仿真测试技术只需要通过计算机就

8、能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作 ， 鲤鱼 大大提高了大规模系统电子设计的自动化程度 。草鱼 设计者的工作仅限于利用软件方式 ， 鲤鱼 即利用硬件描述语言（如 VHDL）来完成对系统硬件功能的描述 。草鱼 EDA技术使实现 ， 鲤鱼 极大地提高了设计效率 ， 鲤鱼 缩短了设计周期 ， 鲤鱼 节省了设计成本 。 草鱼 今天 EDA技术已经成为电子设计的重要工具 ， 鲤鱼 无论是设计芯片还是设计系统 ， 鲤鱼 如果没有 EDA工具的支持 ， 鲤鱼 都将是难以完成的 。 草鱼 EDA工具 已经成为现代电路设计工程师的重要武器 ， 鲤鱼 正在发挥越来越重要

9、的作用 。 草鱼 为了提高自身的实践能力与专业知识应用能力 ， 鲤鱼 为了更快地与社会实际和社会需要接轨 ， 鲤鱼 这次毕业设计我选择了以EDA技术为 方向 ， 鲤鱼 设计数字频率计 ， 鲤鱼 在所参考的文献中 ， 鲤鱼 都包含了这一技术 。 草鱼 相信通过此次毕业设计将为我更全面更系统更深入地掌握 EDA技术打下良好的基础 。 草鱼 草鱼 EDA发展历程 草鱼 EDA技术伴随着计算机 、 p ork集成电路 、 pork电子系统设计的发展 ， 鲤鱼 经历了三个发展阶段 ， 鲤鱼 即 ： pork20世纪 70年代发展起来的 CAD技术 ； p ork0世纪 80年代开始应用的 CAE技术 ；

10、 pork20世纪 90年代后期 ， 鲤鱼 出现的以硬件描述语言 、 pork系统级仿真和综合技术为特征的 EDA技术 ， 鲤鱼 这时的 EDA工具不仅具有电子系统设计的能力 ， 鲤鱼 而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力 ， 鲤鱼 具有高级抽象的设计构思手段 。 草鱼 草鱼 草鱼 EDA技术涉及面广 ， 鲤鱼 内容丰富 ， 鲤鱼 从教学和实用的角度看 ， 鲤鱼 主要有以下四个方面内容 ： pork(1)大规模可编程逻辑器件 ； p ork(2)硬件描述语言 ； pork(3)软件开发工具 ； pork(4)实验开发系统 。 草鱼 其中 ， 鲤鱼 大规模可编程逻辑器件是利用 EDA技术进

11、行电子系统设计的载体 ； pork硬件描述语言是利用 EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段 ；p ork软件开发工具是利用 EDA技术进行电子系统设计的智能化 、 pork自动化设计工具 ； pork实验开发系统是利用 EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具 。 草鱼 草鱼 随着现代半导体的精密加工技术发展到深亚微米 (0.180.35um)阶段 ， 鲤鱼 基于大规模或超大规模集成电路技术的定制或半定制 ASIC(Application 草鱼 Specific 草鱼 IC即专用集成电 路 )器件大量涌现并获得广泛的应用 ， 鲤鱼 使整个电子技术与产品的面貌发生了深刻的变化 ，

12、鲤鱼 极大地推动了社会信息化的发展进程 。 草鱼 而支撑这一发展进程的主要基础之一 ， 鲤鱼 就是 EDA技术 。 草鱼 草鱼 草鱼 可编程逻辑器件 草鱼 草鱼 可编程逻辑器件是近几年才发展起来的一种新型集成电路 ， 鲤鱼 是当前数字系统设计的主要硬件基础 ， 鲤鱼 是硬件编程语言 HDL物理实现工具 。 草鱼 可编程逻辑器件对数字系统设计自动化起着推波助澜的作用 ， 鲤鱼 可以说 ， 鲤鱼没有可编程逻辑器件就没有当前的数字电路自动化 。 草鱼 目前 ， 鲤鱼 由于这种以可编程逻辑器件为原材 料从“制造自主芯片”开始的 EDA设计模式己成为当前数字系统设计的主流 ， 鲤鱼 若要追赶世界最先进的

13、数字系统设计方法 ， 鲤鱼 就要认识并使用可编程逻辑器件 。 草鱼 草鱼草鱼 数字集成电路本身在不断地进行更新换代 。 草鱼 它由早期的电子管 、 pork晶体管 、 pork小中规模集成电路 、 pork发展到超大规模集成电路 (VLSIC， 鲤鱼 几万门以上 )以及许多具有特定功能的专用集成电路 。 草鱼 但是 ， 鲤鱼 随着微电子技术的发展 ， 鲤鱼 设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担 。 草鱼 系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路 (ASIC)芯片 ， 鲤鱼 而且希望 ASIC的设计周期尽可能短 ， 鲤鱼 最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片 ， 鲤鱼 并

14、且立即投入实际应用之中 ， 鲤鱼 因而出现了现场可编程逻辑器件 (FPLD)， 鲤鱼 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)。 草鱼 草鱼草鱼 可编程逻辑器件正处于高速发展的阶段 。 草鱼 新型的 FPGA/CPLD规模越来越大 ， 鲤鱼 成本越来越低 。 草鱼 高性价比使可编程逻辑器件在硬件设计领域扮演着日益重要的角色 。 草鱼 低端 CPLD已经逐步取代了 74系列等传统的数字元件 ， 鲤鱼 高端的 FPGA也在 不断地夺取 ASIC的市场份额 ， 鲤鱼 特别是目前大规模 FPGA多数支持可编程片上系统（ SOPC） ， 鲤鱼 与 CPU或 D

15、SP 草鱼 Core的有机结合使 FPGA已经不仅仅是传统的硬件电路设计手段 ， 鲤鱼 而逐步升华为系统级实现工具 。 草鱼 草鱼草鱼 基于 EDA技术的数字系统层次化设计方法 草鱼 草鱼 草鱼 EDA(Electronics 草鱼 Design 草鱼 Automation)技术的出现使数字系统的分析与设计方法发生了根本的变3 化 ， 鲤鱼 采用的基本设计方法主要有三种 ： pork直接设计 、 pork自顶向下 (Top-to-Down)设计 、 pork自底向上 (Buttom-to-Up)设计 。 草鱼 直接设计就是将设计看成一个整体 ， 鲤鱼 将其设计成为一个单电路模块 ， 鲤鱼 它适

16、合小型简单的设计 。 草鱼而一些功能较复杂的大型数字逻辑系统设计适合自顶向下或自底向上的设计方法 。 草鱼 自顶向下的设计方法就是从设计的总体要求入手 ， 鲤鱼 自顶向下地将设计划分为不同的功能子模块 ， 鲤鱼 每个模块完成特定的功能 ，鲤鱼 这种设计方法首先确定顶层模块的设计 ， 鲤鱼 再进行子模块的详细设计 ， 鲤鱼 而在子模块的设计中可以调用库中已有的模块或设计过程中保留下来的实例 。 草鱼 自底向上的设计方法 与自顶向下的设计方法恰恰相反 。 草鱼 草鱼草鱼 在数字系统的 EDA设计中往往采用层次化的设计方法 ， 鲤鱼 分模块 、 pork分层次地进行设计描述 。 草鱼 描述系统总功能

17、的设计为顶层设计 ， 鲤鱼 描述系统中较小单元的设计为底层设计 。 草鱼 整个设计过程可理解为从硬件的顶层抽象描述向最底层结构描述的一系列转换过程 ， 鲤鱼 直到最后得到可实现的硬件单元描述为止 。 草鱼 层次化设计方法比较自由 ， 鲤鱼 既可采用自顶向下的设计也可采用自底向上设计 ， 鲤鱼 可在任何层次使用原理图输入和硬件描述语言 HDL设计 。 草鱼 草鱼草鱼 现代数字系统的设计方法 一般都是自顶向下 (Top-to-Down)的层次化设计方法 ， 鲤鱼 即从整个系统的整体要求出发 ， 鲤鱼 自上而下地逐步将系统设计内容细化 ， 鲤鱼 即把整个系统分割为若干功能模块 ， 鲤鱼 最后完成整个

18、系统的设计 。 草鱼草鱼 在电子设计领域 ， 鲤鱼 自顶向下的层次化设计方法 ， 鲤鱼 只有在 EDA技术得到快速发展和成熟应用的今天才成为可能 ， 鲤鱼 自顶向下的层次化设计方法的有效应用必须基于功能强大的 EDA工具 ， 鲤鱼 具备集系统描述 、 pork行为描述和结构描述功能为一体的硬件描述语言 HDL， 鲤鱼 以及先进的 ASIC制造工艺和 CPLD/FPGA开 发技术 。 草鱼当今 ， 鲤鱼 自顶向下的层次化设计方法已经是 EDA技术的首选设计方法 ， 鲤鱼 是 CPLD/FPGA开发的主要设计手段 。草鱼 草鱼草鱼 EDA技术的未来 草鱼 从目前的 EDA技术来看 ， 鲤鱼 其发展

19、趋势是政府重视 、 pork使用普及 、 pork应用广泛 、 pork工具多样 、 pork软件功能强大 。草鱼 中国 EDA市场已渐趋成熟 ， 鲤鱼 不过大部分设计工程师面向的是 PCB制板和小型 ASIC领域 ， 鲤鱼 仅有小部分（约 11%）的设计人员开发复杂的片上系统器件 。 草鱼 为了与台湾地区和美国的设计工程师形成更有力的竞争 ， 鲤鱼 中国的设计队 伍有必要引进和学习一些最新的 EDA技术 。 草鱼 草鱼草鱼 在信息通信领域 ， 鲤鱼 要优先发展高速宽带信息网 、 pork深亚微米集成电路 、 pork新型元器件 、 pork计算机及软件技术 、 pork第三代移动通信技术 、

20、 pork信息管理 、 pork信息安全技术 ， 鲤鱼 积极开拓以数字技术 、 pork网络技术为基础的新一代信息产品 ， 鲤鱼 发展新兴产业 ， 鲤鱼 培育新的经济增长点 。 草鱼 要大力推进制造业信息化 ， 鲤鱼 积极开展计算机辅助设计（ CAD） 、 p ork计算机辅助工程（ CAE） 、 pork计算机辅助工艺（ CAPP） 、 pork计算机辅助制造（ CAM） 、 pork产品数据管理（ PDM） 、 p ork制造资源计划（ MRPII）及企业资源管理（ ERP）等 。 草鱼 有条件的企业可开展“网络制造” ， 鲤鱼便于合作设计 、 pork合作制造 ， 鲤鱼 参与国内和国际竞

21、争 。 草鱼 开展“数控化”工程和“数字化”工程 。 草鱼 自动化仪表的技术 、 pork发展趋势的测试技术 、 pork控制技术与计算机技术 、 pork通信技术进一步融合 ， 鲤鱼 形成测量 、 pork控制 、 pork通信与计算机（ M3C）结构 。 草鱼 在 ASIC和 PLD设计方面 ， 鲤鱼 向超高速 、 pork高密度 、 pork低功耗 、 pork低电压方面发展 。 草鱼 外设技术与 EDA工程相结合的市场前景看好 ， 鲤鱼 如组合超大屏幕的相关连接 ， 鲤鱼 多屏幕技术也有所发展 。 草鱼 草鱼草鱼 中国 1995年以来加速开发半导体产业 ， 鲤鱼 先后建立了几所设计中心

22、 ， 鲤鱼 推动系列设计活动以应对亚太地区其它 EDA市场的竞争 。 草鱼 在 EDA软件开发方面 ， 鲤鱼 目前主要集中在美国 。 草鱼 但各国也正在努力开发相应的工具 。 草鱼日本 、 pork韩国都有 ASIC设计工具 ， 鲤鱼 但不对外开放 。 草鱼 中国华大集成电路设计中心 ， 鲤鱼 也提供 IC设计软件 ， 鲤鱼 但性能不是很强 。 草鱼 相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地 开花结果 。 草鱼 据最新统计显示 ， 鲤鱼 中国和印度 正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场 ， 鲤鱼 年增长率分别达到了 50%和 30%。 草鱼 草鱼草鱼 结束语 草鱼 草鱼 EDA技术

23、为现代数字系统理论和设计的表达与应用提供了可能性 ， 鲤鱼 它已不是某一学科的分支 ， 鲤鱼 而是一门综合性学科 。 草鱼 EDA技术打破了计算机软件与硬件间的壁垒 ， 鲤鱼 使计算机的软件技术与硬件实现 、 pork设计效率和产品性能合二为一 ， 鲤鱼 它代表了数字电子设计技术和应用技术的发展方向 。 草鱼 草鱼草鱼 21世纪将是 EDA技术的高速发展时期 ,并着眼于数字逻 辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展 。 草鱼 EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域 ， 鲤鱼 随着基于 EDA的 SOC设计技术的发展 、 pork软硬核功能库的建立 、 porkIP核复用 ， 鲤鱼 以及基于 H

24、DL的自顶向下的设计理念的确立 ， 鲤鱼 未来的 电子系统级设计 (ESL)将不再是电子工程师们的专利 。 草鱼草鱼 4 简述毕业设计开始以来所做的具体工作和取得的进展或成果 草鱼 具体工作如下 ： pork草鱼 草鱼 草鱼 （ 1）从毕业设计开始 ， 鲤鱼 根据所设计的项目 ， 鲤鱼 通过上网 、 pork图书馆等途径进行资料的收集和整理 ， 鲤鱼 对所得的资料进行 详细地阅读和充分地理解 ， 鲤鱼 并确定了设计的总体框架和各模块组成 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 （ 2）根据个人设计项目 ， 鲤鱼 构思总体方案 ， 鲤鱼 然后再对各个模块进行分析 。 草鱼草鱼 （ 3）了解各个功能模块可以实现

25、的方案与途径 ， 鲤鱼 再对各个方案进行优缺点比较并确定最后的方案 。 草鱼草鱼 （ 4）先用 MAX PLUS软件对各模块的波形 仿真后 ， 鲤鱼 再用模块法进行整体的调试 ， 鲤鱼 通过编译后将其下载到 FPGA 芯片上 ， 鲤鱼 最后连接好各管脚 ， 鲤鱼 根据要求进行调试 ， 鲤鱼 使设计结果满足要求 。 草鱼草鱼 （ 5）根据设计要求利用 MAX PLUS 编写 、 pork调试和优化程序 ， 鲤鱼 根据功能要求对其进行修改 ， 鲤鱼 直至达到要求能实现所需的功能 。 草鱼 目前存在问题 ， 鲤鱼 下一步的主要研究任务 ， 鲤鱼 具体设想与安排 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 程序调试

26、可行 ， 鲤鱼 各模块设计的电路也可以实现其功能 ， 鲤鱼 目前存在的问题就是设计的系统有时会不稳定 ， 鲤鱼 还有读取的数值反应很慢 ， 鲤鱼 不能及时获取 ， 鲤鱼 这就要求我们提高系统的稳定性和抗干扰性 ， 鲤鱼 并实现如何使理论与实际相结合起来进行综合调试 ， 鲤鱼 使设计能实现其相应的功能 。 草鱼 【摘要】 草鱼 草鱼 介绍一种以 FPGA( 草鱼 Field 草鱼 Programmable 草鱼 Gate 草鱼 Array) 草鱼 为核心 ,基于硬件描述语言 VHDL的数字频率计设计与实现 ， 鲤鱼采用模块化单元构建系统 ,进行数字频率计设计与开发的新方法 。 草鱼数字频率计是一

27、种基本的测量仪器 ， 鲤鱼它被广泛应用与航天 、 pork电子 、 pork测控等领域 。 草鱼它的基本测量原理是 ， 鲤鱼首先 通过分频器得到 1Hz的时钟 ， 鲤鱼然后用计数器计数信号 在 1S 中里的 脉冲个数 ， 鲤鱼把标准时间内的计数的结果 ， 鲤鱼用锁存器锁存起来 ， 鲤鱼最后用显示译码器 ， 鲤鱼把锁存的结果用数码管显示出来 。 草鱼 草鱼 引言 (1)草鱼 设计任务 (2) 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 总体 方案论证与比较 (2) 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 EDA 及硬件描述语言介绍 (2)草鱼 3.1 草鱼 EDA 草鱼 技术和 VHDL 语言的特点 (

28、2)草鱼 3.2 草鱼 FPGA 芯片和 EPF10K10LC84-4N 简单介绍 (3)草鱼 3.3 草鱼 MAX PLUS 软件 介绍 (3) 草鱼草鱼 4 草鱼 频率计的设计原理 (5) 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 5 草鱼 频率计的模块设计 (7) 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 5.1 草鱼 计数模块 (7)草鱼 5.2 草鱼 分频模块 . (8)草鱼 5.3 草鱼 档位模块 . (9)草鱼 5.4 草鱼 锁存模块 . (10)草鱼 5.5 草鱼 数码管显示译码模块 . (11)草鱼 6 草鱼 系统调试 . (11)草鱼 7 草鱼 误差分析 . (12)草鱼 8 草鱼 结束语 . (14)

29、草鱼 5 致谢语 . (14) 草鱼草鱼 参考文献 . (14) 草鱼 草鱼 引 草鱼 言 草鱼 本文介绍了在 FPGA 芯片上实现高精度频率计的设计原理和具体的 VHDL 语言编程思路 。 草鱼 现场可编程门阵列的出现给现代电子设计带来了极大的方便和灵活性 ， 鲤鱼 使复杂的数字电子系统设计变为芯片级设计 ， 鲤鱼该系统具有稳定可靠 、 pork抗干扰能力强和现场可编程等优点 ， 鲤鱼 同时还可以很方便地对设计进行在线修改 。草鱼 相对于传统的系统电路设计方法 ， 鲤鱼 EDA 技术 可采用硬件描述语言来描述电路系统 ， 鲤鱼 而 VHDL 语言则具有多层次描述系统硬件功能的能 力 ， 鲤鱼

30、 而且能支持自顶向下的 设计 ， 鲤鱼 在电子工程领域 ， 鲤鱼 已成为事实上的通用硬件描述语言 ， 鲤鱼 这使得设计者可以不必了解硬件结构 。 草鱼 通过编译后最终下载到具体的 FPGA器件中去 ， 鲤鱼本设计采用的是 草鱼 EPF10K10LC84-4N 这系列器件 ， 鲤鱼 从而实现可编程逻辑器件的设计 。 草鱼 频率测量是电子测量技术中最基本最常见的测量之一 ， 鲤鱼 不少物理量的测量 , 草鱼 如转速 、 pork振动频率等的测量都涉及到或可以转化为频率的测量 ， 鲤鱼 数字频率计是数字电路中的一个典型应用 ， 鲤鱼 但实际的硬件设计用到的器件较多 ， 鲤鱼 连线比较复 杂 ， 鲤鱼

31、 而且会产生比较大的延 时 ， 鲤鱼 从而造成测量误差和可靠性都比较差 。 草鱼 而随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用 ， 鲤鱼 以 EDA技术进行开发并运用 VHDL语言 ， 鲤鱼 将使整个系统大大简化 ， 鲤鱼 同时可大大提高系统的整体性能和可靠性 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 1 草鱼 设计任务 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼设计一个能够将所测频率分为六档 进行自动换档 的数字频率计 ,且 高位显示档位 ， 鲤鱼 并有秒表功能 。 草鱼第 0 档 ： porka 100； pork第 1 档 ： porka 101； pork第 2 档 ： por

32、ka 102;pork第 3 档 ： porka 103;pork第 4 档 ： porka 104； pork第 5 档 ： porka 105（基本单位 ： porkHZ， 鲤鱼 a： pork读数） 。 草鱼草鱼 草鱼 2 草鱼 总体 方案论证与比较 草鱼 方案 1： p ork采用中小规模数字电路构成频率计 ， 鲤鱼 由计数器构成主要的测量模块 ,用定时器组成主要的控制电路 。 草鱼 电路框图如图 2-1 草鱼 所示 。 草鱼 此方案软件设计简单 ， 鲤鱼 但外围芯片过多 ， 鲤鱼 且频带窄 ， 鲤鱼 实现起来较复杂 ，鲤鱼 功能不强 ， 鲤鱼 而且不能程控和扩展 。 草鱼草鱼 草鱼

33、草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 图 3-1 草鱼 方案 1 草鱼 电路框图 草鱼 草鱼 被测信号 比较器 量程选择 计数器 定时 控制模型 键盘显示 6 方案 2： pork采用大规模现场可编程逻辑器件实现数字频率计并用模块法完成 。 草鱼 大规模现场可编程器件采用ALTERA 公司生产的 EPF10K10LC84-4N 实现 ， 鲤鱼 其特点是结构简单 ， 鲤鱼 功能较强 。 草鱼草鱼 草鱼 比较 ： p ork方案

34、 1 草鱼 采用 中小规模集成电路来实现 ， 鲤鱼 系统电路较复杂 ， 鲤鱼 扩展性能差 。 草鱼 方案 2 用可编程逻辑器件实现大部分硬件电路的功能 ， 鲤鱼 并且调试简单 。 草鱼 故采用方案 2。 草鱼草鱼 草鱼 3 草鱼 EDA 及硬件描述语言介绍 草鱼 3.1 草鱼 EDA 草鱼 技术和 VHDL 语言的特点 草鱼 EDA（ Electronic 草鱼 Design 草鱼 Automation 电子设计自动化） 代表了当今电子设计技术的最新发展方向 , 草鱼 它的基本 MAX PLUS 特征是 :设计人员按照“自顶向下” ( 草鱼 Top 草鱼 Down) 草鱼 的设计方法 , 草鱼

35、 对整个 系统进行方案设计和功能划分 ,系统的关键电路用一片或几片专用集成电路 ( 草鱼 ASIC) 草鱼 实现 ,然后采用硬件描述语言 HDL（ Hardware 草鱼 Description 草鱼 Language 硬件描述语言） 完成系统行为级设计 ,最后通过综合器和适配器生成最终目标器件 9。 草鱼 FPGA 可以通过软件编程对目标器件的结构和工作方式进行重构 ,能随时对设计进行调整 ,具有集成度高 、 pork结构灵活 、 pork开发周期短 、 pork快速可靠性高等特点 , 草鱼 数字设计在其中快速发展 ,应用这种技术可使设计过程大大简化 软件全部 采用 ,VHDL 语言进行编写

36、 。 草鱼 据统计 ， 鲤鱼 目前发达国家在电子产品开发中 EDA 工具的利用率已达 50%4， 鲤鱼 而大部分的 ASIC 和 FPGA 草鱼 已采用 HDL 设计 。 草鱼 EDA技术以 VHDL 高层次综合能力为特点 ， 鲤鱼 支持不同领域 A 行为 、 pork结构 、 pork几何 B 中各种层次 A 从系统级直至开关级 B 的设计描述和自顶向下以及自底向上等设计方法 。 草鱼 由于 VHDL 已成为 IEEE 准 ， 鲤鱼 目前的 EDA工具可以使 ASIC 系统行为 、 pork功能 、 pork算法的 VHDL 草鱼 描述直接综合生成 FPGA 草鱼 器件 ， 鲤鱼 因此可以使

37、设计 者将精力集中于设计构思 ， 鲤鱼 从而提高设计效率 ， 鲤鱼 同时也利于设计的分交流和重用 。 草鱼 草鱼 VHDL 语言最大的特点是描述能力极强 ,可以覆盖逻辑设计的诸多领域和层次 , 草鱼 并支持众多的硬件模型 。草鱼 其特点包括 :草鱼 ( 草鱼 1) 草鱼 草鱼 设计技术齐全 , 草鱼 方法灵活 , 草鱼 支持广泛 ;por k草鱼 ( 草鱼 2) 草鱼 草鱼 系统硬件描述能力强 ;por k草鱼 ( 草鱼 3) 草鱼 草鱼 VHDL 草鱼 语言可以与工艺无关地进行编程 ;por k草鱼 ( 草鱼 4) 草鱼 草鱼 VHDL 草鱼 语言标准 、 por k规范 , 草鱼 易于共享

38、 和重用 。 草鱼草鱼 3.2 草鱼 FPGA 芯片和 EPF10K10LC84-4N 简单介绍 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 (1) 草鱼 FPGA 简介 草鱼 草鱼 FPGA 草鱼 (Field 草鱼 Programmable 草鱼 Gate 草鱼 Array)即现场可编程逻辑阵列 ， 鲤鱼 是大规模可编程集成电路的主流器件6。草鱼 FPGA 一般由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的 SRAM(静态随机存储器 )组成 ， 鲤鱼 这三种可编程电路是 :可编程逻辑阵列 LAB(LogicArrayBlock)、 pork输人输出模块和 互连资源 (IntereonnectReso

39、urce)。草鱼 它是在 PAL、 porkGAL、 porkEPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物 。 草鱼 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 ， 鲤鱼 既解决了定制电路的不足 ， 鲤鱼 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点 。 草鱼 FPGA 器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术 ， 鲤鱼 这利用计算机辅助设计 ， 鲤鱼 绘制出实现用户逻辑的原理图 、 pork编辑布尔方程或用硬件描述语言等方式作为设计输入 ； pork然后经一系列转换程序 、p ork自动布局布线 、 pork模拟仿真的过程 ； pork最后生成配置 FPGA器件的数

40、据文件 ， 鲤鱼 对 FPGA器件初始化 14。 草鱼 这样就实现了满足用户要求的专用集成电路 ， 鲤鱼 真正达到了用户自行设计 、 pork自行研制和自行生产集成电路的目的 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 FPGA 有多种配置模式 ： pork并行主模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式 ； pork主从模式可以支持一片 PROM编程多片 FPGA； p ork串行模式可以采用串行 PROM 编程 FPGA； pork外设模式可以将 FPGA作为微处理器的外设 ， 鲤鱼由微处理器对其编程 。 草鱼 概括地说 ， 鲤鱼 FPGA 器件具有下列优点 ： pork高密度 、 por

41、k高速率 、 pork系列化 、 pork标准化 、 pork小型化 、 p ork多功能 、 pork低功耗 、 po r k低成本 ， 鲤鱼 设计灵活方便 ， 鲤鱼 可无限次反复编程 ， 鲤鱼 并可现场模拟调试验证 。 草鱼草鱼 (2) 草鱼 EPF10K10LC84-4N 介绍 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 可编程器件 EPF10K10LC84-4实现 IIC总线的通讯接口的基本原理 ， 鲤鱼 并给出了部分的 VHDL语言描述 。草鱼 该通讯接口与专用的接口芯片相比 ， 鲤鱼 具有使用灵活 、 pork系统配置方便的特点 。 草 鱼 草鱼 关键词 ： porkIIC 总线 草鱼 CP

42、LD 草鱼7 VHDL 草鱼 ISPIIC 总线是 PHILIPS 公司开发的一种简单 、 pork双向 、 pork二线制 、 pork同步串行总线 。 草鱼 它只需两根线（串行时钟线和串行数据线）即可在连接于总线上的器件之间传送信息 12。 草鱼 该总线是高性能串行总线 ， 鲤鱼 具备多主机系统所需要的裁决和高低速设备同步等功能 ， 鲤鱼 应用极为广泛 。 草鱼 目前市场上虽然有专用 IIC 总线接口芯片 ， 鲤鱼 但是地址可选范围小 、 pork性能指标固定 、 pork功能单一 、 pork使用不方便 。 草鱼 根据 IIC 总线的电气 特性及其通讯协议 ， 鲤鱼 采用 ALTERA

43、公司的 FLEX10K 系列 ISP 器件 EPF10K10LC84-4 可以方便地实现 IIC 总线的通讯接口 ， 鲤鱼 且具有高速 、 pork易调试 、 pork可以灵活地实现地在线配置等优点 ， 鲤鱼 同时大大地减少了系统的开发周期 。草鱼 IIC 总线的数据传输规范 IIC 总线主从机之间的一次数据传送称为一帧 ， 鲤鱼 由启动信号 、 pork地址码 、 pork若干数据字节 、 pork应答位以及停止信号等组成 。 草鱼 通讯启动时 ， 鲤鱼 主动发送一个启动信号（当 SCL 线上是高电平时 ，鲤鱼 SDA 线上产生一个下降沿） 、 pork从 机的地址码（ 8 位）和读写信号

44、； pork通讯停止时 ， 鲤鱼 主机发送一个停止信号（当SCL 线上是高电平时 ， 鲤鱼 SDA 线上产生一个上升沿） 。 草鱼8在数据传送过程中 ，鲤鱼 当 SCL 线上是高电平时 ， 鲤鱼 必须保证 SDA 线上的数据稳定 ； pork传送一个字节的数据 ， 鲤鱼 必须由接收机发一个应答信号 。 草鱼 总线的传输码速率为100kbps（标准） 400kbps（高速） 。 草鱼 采用 +5V 电源供电时 ， 鲤鱼 输入电平规定为 ： porkVILmax=1.5V， 鲤鱼 VIHmin=3V；pork采用宽电源电压时 ， 鲤鱼 电平规定为 ： porkVILmax=1.5VDD， 鲤鱼 VIHmin=3VDD10。 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 3.3 草鱼 草鱼 MAX PLUS 软件介绍 草鱼 草鱼草鱼 (1) 草鱼 MAX PLUS 的概述 草鱼 Max+plus是 Altera 公司提供的 FPGA/CPLD 开发集成环境 ， 鲤鱼 Altera 是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一 。 草鱼 Max+plus界面友好 ， 鲤鱼 使用便捷 ， 鲤鱼 被誉为业界最易用易学的 EDA软件 15。 草鱼 在 Max+plus上可以完成设计输入 、 pork元件适配 、 pork时序仿真和功能仿真 、 pork编程下载整 个流程 ， 鲤鱼 它提供了一