基于FPGA的数字电压表的设计

I基于FPGA的数字电压表的设计摘要电子设计自动化(electronicdesignautomation,EDA)是近几年迅速发展起来的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子设计技术。其中EDA设计语言中的VHDL语言是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述、电路综合、电路仿真等三大电路设计内容。本电压表的电路设计正是用VHDL语言完成的。此次设计主要应用的软件是美国ALTERA公司自行设计的一种CAE软件工具，即MAX+PLUSⅡ。本次所设计的电压表的测量范围是0～5V，精度为0.01V。此电压表的设计特点为：通过软件编程下载到硬件实现,设计周期短,开发效率高。关键词：电子设计自动化(EDA)；FPGA；VHDL；A/D采集；数字电压表DesignofDitalVoltmeterBasedonFPGAXieXingDu(CollegeofZhangJiajie,JishouUniversity,Jishou,Hunan416000)AbstractThedesignofdigitalsystemisbecomingfaster,bulkier,smallerandlighterthanbefore.Electronicdesignautomationisinthelastfewyearsquicklydevelop,itmakesuseofsoftware,hardware,micro-electronicstechnologytoformacourseofelectronicdesign.Amongthem,theVHDLlanguageofEDAisakindoftooloffastcircuitdesign,thefunctioncoveredthecircuitdescribe,thecircuitsynthesize,thecircuitimitatethetrueetc.ThecircuitofthedesignthatuseVHDLlanguagetocomplete.ThethistimedesignisprimarilytheappliedsoftwareisMAXPLUSⅡwhichismadebytheUnitedStatesALTERAcompany.Thissystem’srangeis-5vto+5vandprecisionis0.01v.Characteristicsofthiselectricvoltagewatchis:Passthesoftwareprogramtodownloadthehardwareorealize,designtheperiodisshort,developmenttheefficiencyishigh.Keywords:ElectronicDesignAutomation(EDA);FPGA;VHDL;A/DAcquisitiondigitalvoltageII目录第一章绪论..........................................................11.1研究目的及意义................................................11.2本课题国内外研究概况、应用前景.................................11.3研究的主要内容.................................................2第二章相关技术简介...................................................32.1EDA技术的简介.................................................32.2FPGA的概念与特点..............................................32.3VHDL语言概述..................................................52.4软件工具MAX+PLUSII的简介......................................6第三章硬件电路设计...................................................83.1硬件电路框图...................................................83.2ADC0809模块...................................................83.2.1A/D转换器的主要技术指标..................................93.2.2ADC0809工作原理..........................................93.2.3.工作时序................................................113.3FPGA模块.....................................................11第四章FPGA功能模块的设计及仿真......................................144.2控制模块......................................................144.3数据处理模块..................................................164.4扫描、显示模块................................................18第五章总结..........................................................21参考文献.............................................................22附录................................................................23附录一：总电路图..................................................23附录二：程序清单...................................错误!未定义书签。致谢...............................................................24基于FPGA的数字电压表的设计绪论1第一章绪论1.1研究目的及意义数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，是大学物理教学和实验中的重要仪表，其数字化是指将连续的模拟电压量转换成不连续、离散的数字量并加以显示。传统的实验用模拟电压表功能单一、精度低、体积大，且存在读数时的视差，长时间连续使用易引起视觉疲劳，使用中存在诸多不便。而目前数字万用表的内部核心多是模／数转换器，其精度很大程度上限制了整个表的准确度，可靠性较差。传统的数字电压表设汁通常以大规模ASIC(专用集成电路)为核心器件，并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成。ASIC完成从模拟量的输入到数字量的输出，是数字电压表的心脏。这种电压表的设计简单、精确度高，但是这种设计方法由于采用了ASIC器件使得它欠缺灵活性，其系统功能固定，难以更新扩展。后来发展起来的用微处理器(单片机)控制通用A/D转换器件的数字电压表的设计的灵活性明显提高，系统功能的扩展变得简单，但是由于微处理器的引脚数量有限，其控制转换速度和灵活性还是不能满足日益发展的电子工业的需求。而应用EDA(电子设汁自动化)技术及FPGA(现场可编程门阵列)，其集成度高、速度快、性能十分可靠、用户可自由编程且编程语言通俗易懂、系统功能扩展非常方便。采用FPGA芯片控制通用A/D转换器可使速度、灵活性大大优于由微处理器和通用A/D转换器构成的数字电压表。本文采用8位A／D转换器ADC0809对模拟电压采样，以一片高性能FPGA芯片为控制核心，以软件实现了诸多硬件功能，对电压信号的转换结果进行准确实时的运算处理并送出显示。系统的主要功能都集成在一块芯片上，大大减少了系统的分立元件数量，降低了功耗，增加了可靠性，较好地实现了电压的精准测量。1.2本课题国内外研究概况、应用前景科学技术的发展为测量仪器、仪表提供了新原理和新技术以及新型的元、器体，同时又对测量仪表提出了更新、更高的要求。数字电压表(简写为DVM)就是在精密电测量技术、计算技术、自动化技术和电子技术的基础上产生和发展起来的。数字式仪表是能把连续的被测量自动地变成断续的、用数字编码方式的、并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。这是一种新型仪表，它把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起。成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支。基于FPGA的数字电压表的设计绪论21952年，美国NLS公司首创四位数字电压表，到现在的五十多年中经过了不断的改进和提高。电压表是从电位差计的自动化考虑中研制成功的，开始是四位然后是五位、六位，而现在发展到七位、八位数码显示；从最初的一、二种工作原理发展到几十种原理，从最早采用继电器、电子管发展到全晶体管化、集成电路化、微处理器化；认一台DVM只能测一、二种参数到能测十几种参数的多用型；显示器件也从辉光数码显示发展到等离子体、发光二极管、液晶显示等。电压表的体积和功耗越来越小，重量不断减轻，价格也逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也逐渐扩大。回顾一下电压表的发展过程，大致可分为以下三个阶段:数字化阶段。50－60年代中期，电压表的特点是运用各种原理实现模数(A／D)转换，即将模拟量转化成数字量，从而实现测量仪表的数字化。高准确度阶段。由于精密电测量的需要，电压表开始向高准确度、高位数方向发展，出现了所谓复合型原理的仪表。智能化阶段。60年代末期，电子技术和工艺结构有了飞跃的发展，而大规模集成电路(LSI)与计算机技术相结合的产物是微处理器(简写为μP)。1972年，美国Intel公司首创微处理器不久即研制出微处理器式数字电压表，实现了电压表数据处理自动化和可编程序。因为带有存贮器并使用软件，所以可进行信息处理，可通过标准接口组成自动测试系统(简写为ATS)。这些仪表除了完成原有电压表的各种功能外，还能够自校、自检，保证了自动测量的高准确度，实现了仪器、仪表的所谓“智能化”。当前，智能表发展十分迅速，而微处理式电压表在智能仪表中占的比重最大。智能化的电压表为实现各种物理量的动态测量提供了可能。1.3研究的主要内容本课题主要研究数字电压表的一般设计原理,并结合新型的可编程逻辑器件（FPGA）设计了一种方便、实用的数字电压表。我主要设计软件那部分。采用ACEX1k30TC144-3的一款FPGA芯片实现电压表的数码显示的功能。设计中所要求设计的数字电压表为4位，由三大部分组成，数据转换模块进行模数转换后到数据处理模块处理得到BCD码转换成能被数码管识别的字型编码，再到显示模块，每一部分又包含了若干子电路，将各电路组合起来，就构成了一个整体。硬件设计所需的硬件主要有：课变直流电平输出电路、ADC0809、七段显示器、ACEX1k30TC144-3适配器。基于FPGA的数字电压表的设计技术软件及简介3第二章相关技术简介2.1EDA技术的简介随着微电子技术和计算机技术的不断发展，在涉及机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事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，它已成为当今电子技术发展的前沿之一。EDA以计算机为工具，设计者在其软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、