数据采集装置的设计

⑴ 数据采集系统的发展历史

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第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着工业技术的发展，数据采集装置具有越来越广泛的应用领域。在工业
生产过程中，受产品质量、生产成本等多方面因素影响，通常需要对工业现场
的一些参数进行监控。数据采集装置是解决这一问题的有效手段。在科学研究
中，应用数据采集装置可获得被测对象的动态信息，是研究瞬间物理过程的有
力工具, 也是获取科学奥秘的重要段之一
[1]
。在生产实践中，为了得到我们需
要的数据，通常需要将一些由传感器输出的模拟信号转换成数字信号。再通过
计算机或者处理系统进行相应的处理。这种过程即被称为数据采集
[2]
。数据采
集装置在各个领域被广泛应用，己渗透到了工业现场、地质勘测、医药器械、
电子通信、航空航天等各个领域
[3]
，为人类更好的获取各种信息提供了便利的
条件。
传统的数据采集装置，都是针对特定的要求研制开发的，应用范围窄。对
于新的需求，数据采集装置需要进行重新设计，浪费了时间和精力。同时数据
采集的高精度特性越来越受到重视
[4][5]
，在航空航天、导航系统、环境监测等
很多领域都需要应用高精度的数据采集装置。因此设计一款通用的高精度数据
采集装置就显得尤为重要。
网络化技术是数据采集发展的另一个重要技术
[6]
。随着工业技术的飞速发
展，要求测试和处理的信息量越来越大，而且被测对象的空间位置分散，测试
任务复杂，测试系统庞大，测试单元数量多，各个测试单元与主控计算机的数
据交换量越来越大。同时由于工业现场的恶劣条件，远程监控显得越来越重
要。因此数据采集装置网络化和远程化的要求也越来越受到重视。
综上可知，研究通用化高精度数据采集技术和网络技术，可以有效提高生
产管理的自动化水平，对于提高我国劳动生产率和推动经济发展具有非常重要
的意义。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外数据采集装置的现况
上个世纪 50 年代，数据采集装置开始出现。以年美国研制的数据采集测
试系统为代表，该系统主要应用于军事领域。目的是数据采集装置使用中不依靠相关的测试文件，可以由对该数据采集装置不是十分熟悉的人员进行操作。
装置灵活性好，并且可以自动规划完成采集任务。同时使得很多应用传统方法
无法完成的采集任务得以解决，从而获得了初步的认可。大约在上世纪 60 年
代后期，国外市场上开始出现成套的数据采集产品。这些数据采集产品多在特
定领域中被应用
[7]
。
上世纪 70 年代后期，伴随微型计算机的出现与发展，采集器和控制计算
机一体化的数据采集装置也随之出现。因为当时此类数据采集装置性能优越，
远远超过传统的数据采集装置，所以此类数据采集装置发展速度惊人。
上世纪 80 年代，随着计算机的普及，开始出现通用的数据采集装置，这
个时期的数据采集装置主要由采集器、接口总线和控制计算机组成。所使用的
接口总线以 GPIB 为主要代表。80 年代后期，数据采集装置主要由工控机、单
片机和集成电路组成。将部分硬件由软件代替，降低了成本和体积，而性能大
大增加。
上世纪 90 年代后，发达国家的数据采集技术已经广泛应用于军事、航空
航天和工业领域。随着集成电路技术的发展，出现了高性能的单片数据采集系
统（DAS）。DAS 的分辨率可达 16 位，采样速度达每秒几十万次。数据采集技
术成为一门技术。这个时期的数据采集装置采用模块化结构，接口总线分为并
行总线和串行总线。并行总线的代表为 VXI 和 PXI，适用于本地数据采集，多
应用于军事领域。串行总线以 RS-485 和现场总线 CAN 为代表
[8]
，适用于远程
工业控制领域，但这两种数据采集装置均存在数据吞吐率低的缺点。
最近几年，随着网络技术的发展，LXI 接口的数据采集装置开始出现。
LXI 接口是 LAN 接口在仪器领域的扩展
[9][10]
。LXI 数据采集装置融合了 GPIB
数据采集装置的高性能、VXI/PXI 数据采集装置的小体积以及 LAN 的高速数
据吞吐能力等特点，是基于以太网的新一代数据采集装置的接口总线。

⑵ 液压系统数据采集装置的设计

液压系统具有功率大、响应快及精度高等特点，已经广泛应用于冶金和制造领域。但其故障又具有隐蔽性、多样性、不确定性及因果关系复杂等特点，故障出现后不易查找原因，而且故障发生会带来巨大的经济损失。通常，液压系统只能靠定期检查和维护来排除故障，这种方法有一定的滞后性。因此需要实时监测液压系统的状态数据并及时分析以减少故障率，确保工程机械正常、连续运行。传统单片机已广泛应用于数据采集和处理中，虽然其价格便宜、易于开发，但是在存储空间和网络传输方面往往难以满足工程上的要求。因此，笔者针对液压系统采用了基于ARM 的数据智能采集终端。

采集终端通过分布在液压系统各处的传感器对油压、流量和温度3 类信号进行采集，并将采集到的信号进行滤波、放大，然后模数转换，数据经过分析后进行统一的编排与压缩，最后通过通信模块进行传输，将数据传输到本地监控中心做进一步故障诊断。

1 硬件总体结构

智能数据采集终端系统采用三星的ARMS3C2440 为主控芯片、GTM900-C GPRS 为通信模块。整个硬件系统分为3 部分： 主控模块、数据采集模块和通信模块，具体结构如图1 所示。

终端的主控模块包括控制芯片电路、存储电路、电源电路以及串口和JTAG 接口电路； 数据采集模块包括传感器电路、信号调理电路以及8 路A/D转换电路； 通信模块包括GPRS 芯片以及外围电路。其中ARM 与GPRS 之间的通信是通过RS-232 总线完成。

⑶ 基于单片机的温度数据采集系统设计

单片机课程设计任务书

题目：基于单片机的温度数据采集系统设计
一．设计要求
1．被测量温度范围：0~500℃，温度分辨率为0.5℃。
2．被测温度点：4个，每2秒测量一次。
3．显示器要求：通道号1位，温度4位（精度到小数点后一位）。
显示方式为定点显示和轮流显示。
4．键盘要求：
（1）定点显示设定；（2）轮流显示设定；（3）其他功能键。
二．设计内容
1．单片机及电源管理模块设计。
单片机可选用AT89S51及其兼容系列，电源管理模块要实
现高精密稳压输出，为单片机及A/D转换器供电。
2．传感器及放大器设计。
传感器可以选用镍铬—镍硅热电偶（分度号K），放大器要实现热电偶输出的mV级信号到A/D输入V级信号放大。
3．多路转换开关及A/D转换器设计。
多路开关可以选用CD4052，A/D可选用MC14433等。
4．显示器设计。
可以选用LED显示或LCD显示。
5．键盘电路设计。
实现定点显示按键；轮流显示按键；其他功能键。
6．系统软件设计。
系统初始化模块，键盘扫描模块，显示模块，数据采集模块，标度变换模块等。

引言：
在生产和日常生活中，温度的测量及控制十分重要，实时温度检测系统在各个方面应用十分广泛。消防电气的非破坏性温度检测，大型电力、通讯设备过热故障预知检测，各类机械组件的过热预警，医疗相关设备的温度测试等等都离不开温度数据采集控制系统。
随着科学技术的发展，电子学技术也随之迅猛发展，同时带动了大批相关产业的发展，其应用范围也越来越广泛。近年来单片机发展也同样十分迅速，单片机已经渗透到工业、农业、国防等各个领域，单片机以其体积小，可靠性高，造价低，开发周期短的特点被广泛推广与应用。传统的温度采集不仅耗时而且精度低，远不能满足各行业对温度数据高精度，高可靠性的要求。温度的控制及测量对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到重要作用。在单片机温度测量系统中关键是测量温度，控制温度和保持温度。温度测量是工业对象的主要被控参数之一。本此题目的总体功能就是利用单片机和热敏原件实现温度的采集与读数，利用五位LED显示温度读数和所选通道号，实现热电转化，实现温度的精确测量。本设计是以Atmel公司的AT89S51单片机为控制核心，通过MC14433模数转换对所测的温度进行数字量变化，且通过数码管进行相应的温度显示。采用微机进行温度检测，数字显示，信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要作用。
目录：
一、系统总体功能及技术指标的描述........................................ 5
二、各模块电路原理描述............................................................. 5
2.1单片机及电源模块设计...................................................... 5
2.2、AT89S51引脚说明.......................................................... 7
2.3、数据采集模块设计........................................................ 11
2.4、多路开关......................................................................... 12
2.5、放大器............................................................................. 15
2.6、A/D转换器..................................................................... 16
2.7、显示器设计..................................................................... 21
2.8、键盘电路设计................................................................. 22
2.9、电路总体设计图........................................................... 22
三、软件流程图 ...................................................................... 24
四、程序清单.............................................................................. 25
五、设计总结及体会.................................................................... 31
六、参考资料................................................................................ 32

一、系统总体功能及技术指标的描述
1. 系统的总体功能：
温度数据采集系统，实现温度的采集与读书，利用五位LED显示温度读数和所选通道号，实现热电转化的原理过程。
被测量温度范围：0~500℃，温度分辨率为0.5℃。被测温度点4个，每2秒测量一次。显示器要求：通道号1位，温度4位（精度到小数点后一位）。显示方式为定点显示和轮流显示，可以通过按键改变显示方式。
2. 技术指标要求：
1．被测量温度范围：0~500℃，温度分辨率为0.5℃。
2．被测温度点：4个，每2秒测量一次。
3．显示器要求：通道号1位，温度4位（精度到小数点后一位）。
显示方式为定点显示和轮流显示。
4．键盘要求：
（1）定点显示设定；（2）轮流显示设定；（3）其他功能键。
二、各模块电路原理描述
2.1单片机及电源模块设计
如图所示为AT89S51芯片的引脚图。兼容标准MCS-51指令系统的AT89S51单片机是一个低功耗、高性能CHMOS的单片机，片内含4KB在线可编程Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。
AT89S51单片机片内的Flash可允许在线重新编程，也可用通用非易失性存储编程器编程；片内数据存储器内含128字节的RAM；有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口;具有两个16位可编程定时器；中断系统是具有6个中断源、5个中断矢量、2级中断优先级的中断结构；震荡器频率0到33MHZ，因此我们在此选用12MHZ的晶振是比较合理的；具有片内看门狗定时器；具有断电标志POF等等。AT89S51具有PDIP、TQFP和PLCC三种封装形式[8]。

图5.1-1 AT89S51引脚图

上图就是PDIP封装的引脚排列，下面介绍各引脚的功能。
2.2、AT89S51引脚说明
P0口：8位、开漏级、双向I/O口。P0口可作为通用I/O口，但须外接上拉电阻；作为输出口，每各引脚可吸收8各TTL的灌电流。作为输入时，首先应将引脚置1。P0也可用做访问外部程序存储器和数据存储器时的低8位地址/数据总线的复用线。在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收代码字节数据；在编程效验时，P0口输出代码字节数据(需要外接上拉电阻)。
P1口：8位、双向I/0口，内部含有上拉电阻。P1口可作普通I/O口。输出缓冲器可驱动四个TTL负载；用作输入时，先将引脚置1，由片内上拉电阻将其抬到高电平。P1口的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻提供电流。在FLASH并行编程和校验时，P1口可输入低字节地址。在串行编程和效验时，P1.5/MO-SI，P1.6/MISO和P1.7/SCK分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。
P2口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2口用做输出口时，可驱动4各TTL负载；用做输入口时，先将引脚置1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外部输出电流。CPU访问外部16位地址的存储器时，P2口提供高8位地址。当CPU用8位地址寻址外部存储时，P2口为P2特殊功能寄存器的内容。在FLASH并行编程和校验时，P2口可输入高字节地址和某些控制信号。
P3口：具有内部上拉电阻的8位双向口。P3口用做输出口时，输出缓冲器可吸收4各TTL的灌电流；用做输入口时，首先将引脚置1，由内部上拉电阻抬位高电平。若外部的负载是低电平，则通过内部上拉电阻向输出电流。在与FLASH并行编程和校验时，P3口可输入某些控制信号。P3口除了通用I/O口功能外，还有替代功能，如表5.3-1所示。

表5.3-1 P3口的替代功能

引脚

符号

说明

P3.0

RXD

串行口输入

P3.1

TXD

串行口输出

P3.2

/INT0

外部中断0

P3.3

/INT1

外部中断1

P3.4

T0

T0定时器的外部的计数输入

P3.5

T1

T1定时器的外部的计数输入

P3.6

/WR

外部数据存储器的写选通

P3.7

/RD

外部数据存储器的读选通

RST：复位端。当振荡器工作时，此引脚上出现两个机器周期的高电平将系统复位。
ALE/ ：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）是一个用于锁存地址的低8位字节的书粗脉冲。在Flash 编程期间，此引脚也可用于输入编程脉冲（）。在正常操作情况下，ALE以振荡器频率的1/6的固定速率发出脉冲，它是用作对外输出的时钟，需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果希望禁止ALE操作，可通过将特殊功能寄存器中位地址为8EH那位置的“0”来实现。该位置的“1”后。ALE仅在MOVE或MOVC指令期间激活，否则ALE引脚将被略微拉高。若微控制器在外部执行方式，ALE禁止位无效。
：外部程序存储器读选取通信号。当AT89S51在读取外部程序时， 每个机器周期 将PSEN激活两次。在此期间内，每当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。
/Vpp：访问外部程序存储器允许端。为了能够从外部程序存储器的0000H至FFFFH单元中取指令，必须接地，然而要注意的是，若对加密位1进行编程，则在复位时，的状态在内部被锁存。
执行内部程序应接VCC。不当选择12V编程电源时，在Flash编程期间，这个引脚可接12V编程电压。
XTAL1：振荡器反向放大器输入端和内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：振荡器反相放大器输出端[9]。

电源模块设计
在影响单片机系统可靠性的诸多因素中，电源干扰可谓首屈一指，据统计，计算机应用系统的运行故障有90％以上是由电源噪声引起的。为了提高系统供电可靠性，交流供电应采用交流稳压器，防止电源的过压和欠压，直流电源抗干扰措施有采用高质量集成稳压电路单独供电，采用直流开关电源，采用DC-DC变换器。本次设计决定采用MAXim公司的高电压低功耗线性变换器MAX 1616作为电压变换，采用该器件将输入的24V电压变换为5V电压，给外围5V的器件供电。MAX1616具有如下特点：
1.4~28V电压输入范围。
2.最大80uA的静态工作电流。
3.3V/5V电压可选输出。
4.30mA输出电流。
5.2％的电压输出精度。
电源管理模块电路图如下：

本电路采用该器件将输入的24V电压变成5V电压，给外围5V的器件供电，其中二极管D1是保护二极管，防止输入电压接反可能带来的对电路的影响和破坏。

⑷ 基于CPLD数据采集控制系统设计

第1章 概 述
21世纪人类将全面进入信息化社会，对微电子信息技术和微电子VLSI基础技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。而集成电路(IC)技术在微电子领域占有重要的地位。伴随着IC技术的发展，电子设计自动化(Electronic Design Automation EDA)己经逐渐成为重要设计手段，其广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。
VHDL是广泛使用的设计输人硬件语言，可用于数字电路与系统的描述、模拟和自动设计.CPLD/FPGA（复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列）为数字系统的设计带灵活性，兼有串!并行工作方式和高集成度!高速!高可靠性等明显的特点，CPLD/FPGA的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速领域和实时测控方面有非常广泛的应用。
本次设计的目的是使用可编程逻辑器件设计一个专用的A/D转换器的控制器，取代常用的微控制器，用于数据采集。本文讲述对A/D进行数据采样控制。设计要求用一片CPLD/FPGA，模数转换控制器ADC和LED显示器构成一个数据采集系统，用CPLD/FPGA实现数据采集中对A/D 转换，数据运算，及有关数据的显示控制。课题除了学习相应的硬件知识外，还要学习如何使用VHDL语言设计可编程逻辑器件。
未来的EDA技术向广度和深度两个方向发展.
(1)在广度上，EDA技术会日益普及.在过去，由于EDA软件价格昂贵，对硬件环境要求高，其运行环境是工作站和UNIX操作系统.最近几年，EDA软件平台化进展迅速，这些PC平台上的EDA软件具有整套的逻辑设计、仿真和综合工具.随着PC机性能的提高，PC平台上的软件功能将会更加完善.
(2)在深度上，EDA技术发展的下一步是ESDA伍electronic System Design Automation电子系统设计自动化)和CE (Concurrent Engineering并行设计工程).目前的各种EDA工具，如系统仿真，PCB布线、逻辑综合、DSP设计工具是彼此独立的.随着技术的发展，要求所有的系统工具在统一的数据库及管理框架下工作，由此提出了ESDA和CE概念。

第2章 EDA的发展历程及其应用
2.1电子设计自动化(EDA)发展概述
2.1.1什么是电子设计自动化(EDA )
在电子设计技术领域，可编程逻辑器件(如PLD, GAL)的应用，已有了很好的普及。这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于这类器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。
电子设计自动化(EDA)是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术，它与电子技术、微电子技术的发展密切相关，吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作平台，是20世纪90年代初从CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)和CAE(计算机辅助工程)的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下和应用相应的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的设计结果。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。当然，这里的所谓EDA主要是指数字系统的自动化设计，因为这一领域的软硬件方面的技术已比较成熟，应用的普及程度也已比较大。而模拟电子系统的EDA正在进入实用，其初期的EDA工具不一定需要硬件描述语言。此外，从应用的广度和深度来说，由于电子信息领域的全面数字化，基于EDA的数字系统的设计技术具有更大的应用市场和更紧迫的需求性。
2.1.2 EDA的发展历史
EDA技术的发展始于70年代，至今经历了三个阶段。电子线路的CAD(计算机辅助设计)是EDA发展的初级阶段，是高级EDA系统的重要组成部分。它利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力，协助工程师设计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图;采用二维图形编辑与分析，主要解决电子线路设计后期的大量重复性工作，可以减少设计人员的繁琐重复劳动，但自动化程度低，需要人工干预整个设计过程。这类专用软件大多以微机为工作平台，易于学用，设计中小规模电子系统可靠有效，现仍有很多这类专用软件被广泛应用于工程设计。80年代初期，EDA技术开始技术设计过程的分析，推出了以仿真(逻辑模拟、定时分析和故障仿真)和自动布局与布线为核心的EDA产品，这一阶段的EDA已把三维图形技术、窗口技术、计算机操作系统、网络数据交换、数据库与进程管理等一系列计算机学科的最新成果引入电子设计，形成了CAE—计算机辅助工程。也就是所谓的EDA技术中级阶段。其主要特征是具备了自动布局布线和电路的计算机仿真、分析和验证功能。其作用已不仅仅是辅助设计，而且可以代替人进行某种思维。CAE这种以原理图为基础的EDA系统，虽然直观，且易于理解，但对复杂的电子设计很难达到要求，也不宜于设计的优化。
所以，90年代出现了以自动综合器和硬件描述语言为基础，全面支持电子设计自动化的ESDA(电子系统设计自动化)，即EDA阶段、也就是目前常说的EDA.过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上(Bottom_ Up)的程式，设计者先对系统结构分块，直接进行电路级的设计。这种设计方式使设计者不能预测下一阶段的问题，而且每一阶段是否存在问题，往往在系统整机调试时才确定，也很难通过局部电路的调整使整个系统达到既定的功能和指标，不能保证设计一举成功。EDA技术高级阶段采用一种新的设计概念:自顶而下(Top_ Down)的设计程式和并行工程(Concurrent engineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所要电子产品的准确定义上，EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。此阶段EDA技术的主要特征是支持高级语言对系统进行描述，高层次综合(High Level Synthesis)理论得到了巨大的发展，可进行系统级的仿真和综合。图2-1给出了上述三个阶段的示意图。

图2-1 EDA发展阶段示意图

2.1.3 EDA的应用
随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，EDA技术的含量正以惊人的速度上升;电子类的高新技术项目的开发也依赖于EDA技术的应用。即使是普通的电子产品的开发，EDA技术常常使一些原来的技术瓶颈得以轻松突破，从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅提高。不言而喻，EDA技术将迅速成为电子设计领域中的极其重要的组成部分。
电子设计专家认为，单片机时代已经结束，未来将是EDA的时代，这是极具深刻洞察力之言。随着微电子技术的飞速进步，电子学进入了一个崭新的时代。其特征是电子技术的应用以空前规模和速度渗透到各行各业。各行业对自己专用集成电路(ASIC)的设计要求日趋迫切，现场可编程器件的广泛应用，为各行业的电子系统设计工程师自行开发本行业专用的ASIC提供了技术和物质条件。与单片机系统开发相比，利用EDA技术对FPGA/CPLD的开发,通常是一种借助于软件方式的纯硬件开发，可以通过这种途径进行专用ASIC开发，而最终的ASIC芯片，可以是FPGA/CPLD，也可以是专制的门阵列掩模芯片，FPGA/ CPLD起到了硬件仿真ASIC芯片的作用。
2.2基于EDA的FPGA/ CPLD开发
我国的电子设计技术发展到今天，将面临一次更大意义的突破，即FPGA/CPLD (Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列/Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)在EDA基础上的广泛应用。从某种意义上说，新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构，但却是一种更高层次的循环，它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分，对(Micro Chip Unit) MCU系统是一种扬弃，在电子设计的技术操作和系统构成的整体上发生了质的飞跃。如果说MCU在逻辑的实现上是无限的话，那么FPGA/CPLD不但包括了MCU这一特点，而且可以触及硅片电路的物理极限，并兼有串、并行工作方式，高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点。不但如此，随着EDA技术的发展和FPGA/CPLD在深亚微米领域的进军，它们与MCU, MPU, DSP, A/D, D/A, RAM和ROM等独立器件间的物理与功能界限已日趋模糊。特别是软/硬IP芯片(知识产权芯片;intelligence Property Core，一种已注册产权的电路设计)产业的迅猛发展，嵌入式通用及标准FPGA器件的呼之欲出，片上系统(SOC)已经近在咫尺。FPGA/CPLD以其不可替代的地位及伴随而来的极具知识经济特征的IP芯片产业的崛起，正越来越受到业内人士的密切关注。
2.2.1 FPGA/CPLD简介
FPGA和CPLD都是高密度现场可编程逻辑芯片，都能够将大量的逻辑功能集成于一个单片集成电路中，其集成度已发展到现在的几百万门。复杂可编程逻辑器件CPLD是由PAL (Programmable Array Logic，可编程阵列逻辑)或GAL (Generic Array Logic，通用阵列逻辑)发展而来的。它采用全局金属互连导线，因而具有较大的延时可预测性，易于控制时序逻辑;但功耗比较大。现场可编程门阵列(FPGA)是由可编程门阵列(MPGA)和可编程逻辑器件二者演变而来的，并将它们的特性结合在一起，因此FPGA既有门阵列的高逻辑密度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程特性。FPGA通常由布线资源分隔的可编程逻辑单元(或宏单元)构成阵列，又由可编程Ir0单元围绕阵列构成整个芯片。其内部资源是分段互联的，因而延时不可预测，只有编程完毕后才能实际测量。
CPLD和FPGA建立内部可编程逻辑连接关系的编程技术有三种:基于反熔丝技术的器件只允许对器件编程一次，编程后不能修改。其优点是集成度、工作频率和可靠性都很高，适用于电磁辐射干扰较强的恶劣环境。基于EEPROM存储器技术的可编程逻辑芯片能够重复编程100次以上，系统掉电后编程信息也不会丢失。编程方法分为在编程器上编程和用下载电缆编程。用下载电缆编程的器件，只要先将器件装焊在印刷电路板上，通过PC, SUN工作站、ATE(自动测试仪)或嵌入式微处理器系统，就能产生编程所用的标准5V, 3.3V或2.5V逻辑电平信号，也称为ISP (In System Programmable)方式编程，其调试和维修也很方便。基于SRAM技术的器件编程数据存储于器件的RAM区中，使之具有用户设计的功能。在系统不加电时，编程数据存储在EPROM、硬盘、或软盘中。系统加电时将这些编程数据即时写入可编程器件，从而实现板级或系统级的动态配置。
2.2.2基于EDA工具的FPGA/CPLD开发流程
FPGA/CPLD的开发流程:设计开始首先利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本方式(如VHDL, Verilog-HDL程序)或图形方式(原理图、状态图等)表达出来。完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合准备。在此，对于多数EDA软件来说，最初的设计究竟采用哪一种输入形式是可选的，也可混合使用。一般原理图输入方式比较容易掌握，直观方便，所画的电路原理图(请注意，这种原理图与利用PROTEL画的原理图有本质的区别)与传统的器件连接方式完全一样，很容易为人接受，而且编辑器中有许多现成的单元器件可资利用，自己也可以根据需要设计元件(元件的功能可用HDL表达，也可仍用原理图表达)。当然最一般化、最普适性的输入方法是HDL程序的文本方式。这种方式最为通用。如果编译后形成的文件是标准VHDL文件，在综合前即可以对所描述的内容进行仿真，称为行为仿真。即将设计源程序直接送到VHDL仿真器中仿真。因为此时的仿真只是根据VHDL的语义进行的，与具体电路没有关系。在仿真中，可以充分发挥VHDL中的适用于仿真控制的语句，对于大型电路系统的设计，这一仿真过程是十分必要的，但一般情况下，可以略去这一步骤.

图2-2 FPGA / CPLD开发流程
设计的第三步是综合，将软件设计与硬件的可实现性挂钩，这是将软件转化为硬件电路的关键步骤。综合器对源文件的综合是针对某一FPGA/CPLD供应商的产品系列的，因此，综合后的结果具有硬件可实现性。在综合后，HDL综合器一般可生成EDIF, XNF或VHDL等格式的网表文件，从门级来描述了最基本的门电路结构。有的EDA软件，具有为设计者将网表文件画成不同层次的电路图的功能。综合后，可利用产生的网表文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一致性。功能仿真仅对设计描述的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，如延迟特性。一般的设计，这一层次的仿真也可略去。综合通过后必须利用FPGA/CPLD布局/布线适配器将综合后的网表式文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配完成后，EDA软件将产生针对此项设计的多项结果:1适配报告:内容包括芯片内资源分配与利用、引脚锁定、设计的布尔方程描述情况等;2时序仿真用网表文件;3下载文件，如JED或POF文件;4适配错误报告等。时序仿真是接近真实器件运行的仿真，仿真过程中己将器件硬件特性考虑进去了，因此仿真精度要高得多。时序仿真的网表式文件中包含了较为精确的延迟信息。如果以上的所有过程，包括编译、综合、布线/适配和行为仿真、功能仿真、时序仿真都没有发现问题，即满足原设计的要求，就可以将适配器产生的配置/下载文件通过FPGA/CPLD编程器或下载电缆载入目标芯片FPGA或CPLD中，然后进入如图1-2所示的最后一个步骤:硬件仿真或测试,以便在更真实的环境中检验设计的运行情况。这里所谓的硬件仿真，是针对ASIC设计而言的。在ASIC设计中，比较常用的方法是利用FPGA对系统的设计进行功能检测，通过后再将其VHDL设计以ASIC形式实现;而硬件测试则是针对FPGA或CPLD直接用于电路系统的检测而言的。
2.2.3用FPGA/CPLD进行开发的优缺点
我们认为，基于EDA技术的FPGA/CPLD器件的开发应用可以从根本上解决MCU所遇到的问题。与MCU相比，FPGA/CPLD的优势是多方面的和根本性的:
1.编程方式简便、先进。FPGA/CPLD产品越来越多地采用了先进的IEEE 1149.1边界扫描测试(BST)技术(由联合测试行动小组，JTAG开发)和ISP(在系统配置编程方式)。在+5V工作电平下可随时对正在工作的系统上的FPGA/CPLD进行全部或部分地在系统编程，并可进行所谓菊花链式多芯片串行编程，对于SRAM结构的FPGA，其下载编程次数几乎没有限制(如Altera公司的FLEXI 10K系列)。这种编程方式可轻易地实现红外编程、超声编程或无线编程，或通过电话线远程在线编程。这些功能在工控、智能仪器仪表、通讯和军事上有特殊用途。
2.高速。FPGA/CPLD的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。
3.高可靠性。在高可靠应用领域，MCU的缺憾为FPGA/CPLD的应用留下了很大的用武之地。除了不存在MCU所特有的复位不可靠与PC可能跑飞等固有缺陷外，FPGA/CPLD的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。
4.开发工具和设计语言标准化，开发周期短。由于FPGA/CPLD的集成规模非常大，集成度可达数百万门。因此，FPGA/ CPLD的设计开发必须利用功能强大的EDA工具，通过符合国际标准的硬件描述语言(如VHDL或Verilog-HDL)来进行电子系统设计和产品开发。由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的FPGA/ CPLD器件的硬件结构没有关系.
所以设计成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号的FPGA/ CPLD中，由此还可以知识产权的方式得到确认，并被注册成为所谓的IP芯片，从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高。由于相应的EDA软件功能完善而强大，仿真方式便捷而实时，开发过程形象而直观，兼之硬件因素涉及甚少，因此可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计，这正是产品快速进入市场的最宝贵的特征。美国TI公司认为，一个ASIC 80%的功能可用IP芯片等现成逻辑合成。EDA专家预言，未来的大系统的FPGA/CPLD设计仅仅是各类再应用逻辑与IP芯片的拼装，其设计周期最少仅数分钟。
5.功能强大，应用广阔。目前，FPGA/ CPLD可供选择范围很大，可根据不同的应用选用不同容量的芯片。利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或数字系统的设计。随着这类器件的广泛应用和成本的大幅度下降，FPGA/CPLD在系统中的直接应用率正直逼ASIC的开发。同时，FPGA/CPLD设计方法也有其局限性。这主要体现在以下几点:
(1).FPGA/CPLD设计软件一般需要对电路进行逻辑综合优化((Logic段Synthesis & Optimization)，以得到易于实现的结果，因此，最终设计和原始设计之间在逻辑实现和时延方面具有一定的差异。从而使传统设计方法中经常采用的一些电路形式(特别是一些异步时序电路)在FPGA/CPLD设计方法中并不适用。这就要求设计人员更加了解FPGA/CPLD设计软件的特点，才能得到优化的设计;
(2).FPGA一般采用查找表(LUT)结构(Xilinx), AND-OR结构(Altera)或多路选择器结构(Actel)，这些结构的优点是可编程性，缺点是时延过大，造成原始设计中同步信号之间发生时序偏移。同时，如果电路较大，需要经过划分才能实现，由于引出端的延迟时间，更加大了延迟时间和时序偏移。时延问题是ASIC设计当中常见的问题。要精确地控制电路的时延是非常困难的，特别是在像FPGA/CPLD这样的可编程逻辑当中。
(3). FPGA/CPLD的容量和I/O数目都是有限的，因此，一个较大的电路，需经逻辑划分((Logic Partition)才能用多个FPGA/CPLD芯片实现，划分算法的优劣直接影响设计的性能;
(4).由于目标系统的PCB板的修改代价很高，用户一般希望能够在固定的引 分配的前提下对电路进行修改。但在芯片利用率提高，或者芯片I/O引出端很多的情况下，微小的修改往往会降低芯片的流通率;
(5).早期的FPGA芯片不能实现存储器、模拟电路等一些特殊形式的电路。最新的一些FPGA产品集成了通用的RAM结构。但这种结构要么利用率不高，要么不完全符合设计者的需要。这种矛盾来自于FPGA本身的结构局限性，短期内很难得到很好的解决。
6.尽管FPGA实现了ASIC设计的硬件仿真，但是由于FPGA和门阵列、标准单元等传统ASIC形式的延时特性不尽相同，在将FPGA设计转向其他ASIC设计时，仍然存在由于延时不匹配造成设计失败的可能性。针对这个问题，国际上出现了用FPGA阵列对ASIC进行硬件仿真的系统(如Quicktum公司的硬件仿真系统)。这种专用的硬件仿真系统利用软硬件结合的方法，用FPGA阵列实现了ASIC快速原型，接入系统进行测试。该系统可以接受指定的测试点，在FPGA阵列中可以直接观测(就像软件模拟中一样)，所以大大提高了仿真的准确性和效率。
2.3硬件描述语言(HDL)
硬件描述语言(HDL)是相对于一般的计算机软件语言如C, Pascal而言的。HDL是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可以利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定其结构特征和电路的行为方式;然后利用综合器和适配器将此程序变成能控制FPGA和CPLD内部结构、并实现相应逻辑功能的门级或更底层的结构网表文件和下载文件。硬件描述语言具有以下几个优点:a.设计技术齐全，方法灵活，支持广泛。b.加快了硬件电路的设计周期，降低了硬件电路的设计难度。c.采用系统早期仿真，在系统设计早期就可发现并排除存在的问题。d.语言设计可与工艺技术无关。e.语言标准，规范，易与共享和复用。就FPGA/CPLD开发来说，VHDL语言是最常用和流行的硬件描述语言之一。本次设计选用的就是VHDL语言，下面将主要对VHDL语言进行介绍。
2.3.1 VHDL语言简介
VHDL是超高速集成电路硬件描述语言的英文字头缩写简称，其英文全名 是Very-High -Speed Integrated Circuit Hardware Description Language。它是在70- 80年代中由美国国防部资助的VHSIC(超高速集成电路)项目开发的产品，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE(The Institute of Electrical and产Electronics Engineers)确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本((IEEE std 1076-1987标准)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境。此后，VHDL在电子设计领域受到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准HDL。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即ANSI/IEEE std1076，1993版本。1996年IEEE 1076.3成为VHDL综合标准。
VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，非常适用于可编程逻辑芯片的应用设计。与其它的HDL相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。就目前流行的EDA工具和VHDL综合器而言，将基于抽象的行为描述风格的VHDL程序综合成为具体的FPGA和CPLD等目标器件的网表文件己不成问题。
VHDL语言在硬件设计领域的作用将与C和C++在软件设计领域的作用一样，在大规模数字系统的设计中，它将逐步取代如逻辑状态表和逻辑电路图等级别较低的繁琐的硬件描述方法，而成为主要的硬件描述工具，它将成为数字系统设计领域中所有技术人员必须掌握的一种语言。VHDL和可编程逻辑器件的结合作为一种强有力的设计方式，将为设计者的产品上市带来创纪录的速度
2.3.2 VHDL语言设计步骤
利用VHDL语言进行设计可分为以下几个步骤:
1.设计要求的定义。在从事设计进行编写VHDL代码之前，必须先对你的设计目的和要求有一个明确的认识。例如，你要设计的功能是什么?对所需的信号建立时间、时钟/输出时间、最大系统工作频率、关键的路径等这些要求，要有一个明确的定义，这将有助于你的设计，然后再选择适当的设计方式和相应的器件结构，进行设计的综合。
2.用VHDL语言进行设计描述。
(1)应决定设计方式，设计方式一般说来有三种:自顶向下设计，自底向上设计，平坦式设计。
前两种方式包括设计阶层的生成，而后一种方式将描述的电路当作单模块电路来进行的。自顶向下的处理方式要求将你的设计划分成不同的功能元件，每个元件具有专门定义的输入和输出，并执行专门的逻辑功能。首先生成一个由各功能元件相互连接形成的顶层模块来做成一个网表，然后再设计其中的各个元件。而自底向上的处理方法正好相反。平坦式设计则是指所有功能元件均在同一层和同一图中详细进行的。
(2)编写设计代码。编写VHDL语言的代码与编写其它计算机程序语言的代码有很大的不同，你必须清醒地认识到你正在设计硬件，编写的VHDL代码必须能够综合到采用可编程逻辑器件来实现的数字逻辑之中。懂得EDA工具中仿真软件和综合软件的大致工作过程，将有助于编写出优秀的代码。
3.用VHDL仿真器对VHDL原代码进行功能仿真。对于大型设计，采用VHDL仿真软件对其进行仿真可以节省时间，可以在设计的早期阶段检测到设计中的错误，从而进行修正，以便尽可能地减少对设计日程计划的影响。因为对于大型设计，其综合优化、配置往往要花费好几个小时，在综合之前对原代码仿真，就可以大大减少设计重复和修正错误的次数和时间。但对于小型设计，则往往不需要先对VHDL原代码进行仿真，即使做了，意义也不大。因为对于小型设计，其综合优化、配置花费的时间不多，而且在综合优化之后，你往往会发现为了实现性能目标，将需要修改你的设计。在这种情况下，用户事先在原代码仿真时所花费的时间是毫无意义的，因为一旦改变设计，还必须重新再做仿真。
4.利用VHDL综合优化软件对VHDL原代码进行综合优化处理。选择目标器件、输入约束条件后，VHDL综合优化软件工具将对VHDL原代码进行处理，产生一个优化了的网络表，并可以进行粗略的时序仿真。综合优化软件工具大致的处理过程如下:首先检测语法和语意错误;然后进行综合处理，对CPLD器件而言，将得到一组工艺专用逻辑方程，对FPGA器件而言，将得到一个工艺专用网表;最后进行优化处理，对CPLD的优化通常包括将逻辑化简为乘积项的最小和式，降低任何给定的表达式所需的逻辑块输入数，这些方程进一步通过器件专用优化来实现资源配置。对FPGA的优化通常也需要用乘积项的和式来表达逻辑，方程系统可基于器件专用资源和驱动优化目标指引来实现因式分解，分解的因子可用来对实现的有效性进行评估，其准则可用来决定是对方程序系统进行不同的因式分解还是保持现有的因子。准则通常是指分享共同因子的能力，即可以被暂存，以便于和任何新生成的因子相比较。
5.配置。将综合优化处理后得到的优化了的网络表，安放到前面选定的CPLD或FPGA目标器件之中，这一过程称为配置。在优化

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论文如何定题目

首先看是什么专业的题目
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（一）选题
毕业论文（设计）题目应符合本专业的培养目标和教学要求，具有综合性和创新性。本科生要根据自己的实际情况和专业特长，选择适当的论文题目，但所写论文要与本专业所学课程有关。
（二）查阅资料、列出论文提纲
题目选定后，要在指导教师指导下开展调研和进行实验，搜集、查阅有关资料，进行加工、提炼，然后列出详细的写作提纲。
（三）完成初稿
根据所列提纲，按指导教师的意见认真完成初稿。
（四）定稿
初稿须经指导教师审阅，并按其意见和要求进行修改，然后定稿。

选题是决定毕业设计（论文）训练成败与质量好坏的关健之一。
1、通信工程专业本科从选题的内容上可以分为理论型毕业设计（论文）和应用型毕业设计（论文）两大类。
2、从本科毕业设计（论文）课题的来源，也可以分为教师命题型和自选型毕业设计（论文）两大类。
3、学生要根据通信工程专业课程群来确定选题方向，数字通信与网络交换方向及信号及信息处理方向的所有应用方面课程均可以作为选题内容。但是，电子技术应用方向及计算机应用方向必须与通信或信号信息处理相结合，其中要有与通信相关的内容。
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