张家文开题报告初稿修改稿Word格式.docx
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在掌握前两步的基础上,设计一个基于FPGA的I2C控制器接口的设计
,要求完成软硬件的设计。
⏹指导教师:
(签名)年月日
⏹教研室主任:
⏹学院院长:
贵州民族大学
本科毕业论文(设计)
题目:
学院信息息工程学院
专业光信息科学与技术
班级2009级
姓名
学号2009070400
指导老师
填表日期2012.12.8
说明
1、毕业设计的开题报告是保证毕业设计质量的一个重要环节,为规范毕业设计的开题报告,特印发此表。
2、学生应在开题报告前,通过调研和资料搜集,主动与指导教师讨论,在指导教师的指导下,完成开题报告。
3、此表一式二份,交学院装入毕业设计(论文)档案袋。
4、开题报告需经指导教师、院(系)领导审查合格后,方可正式进入下一步毕业设计(论文)阶段。
5、理工类不得少于10篇,其他专业类不少于15篇相关文章的阅读量。
6、开题报告撰写不少于1000字。
研究的现状:
在FPGA开发中,利用EDA工具设计芯片实现系统的功能已经成为支撑电子设计的通用平台,并逐步向支持系统级的设计方向发展,各分立元件的连接和接口扩展就显得十分重要。
扩展的方法有两种:
一种是并行总线,另一种是串行总线。
由于串行总线连接线少,结构简单,往往不用专用的母板和插座而直接用导线连接各个设备即可。
因此,采用串行总线大大简化了系统硬件设计。
尤其是I2C串行总线,它是具备多主机系统所需的包括裁决和高低速设备同步等功能的高性能串行总线。
I2C总线是PHILIPS公司推出的新一代串行总线,由于其结构简单、灵活,给节点具有独立的电气特性,可实现电路的模块化、标准化而被广泛应用。
尤其在嵌入式系统中,I2C总线被普遍用来连接CPU/MCU和外围器件,例如:
LCD驱动,I/O接口,存储器,A/D转换等。
I2C总线最初是为音频和视频设备开发,如今主要在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信,例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系统的配置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇。
可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理,所有符合I2C总线的器件组成了一个片上接口,使器件之间直接通过I2C总线通讯。
I2C总线具有数据的双向传输功能,极强的功能扩展和控制能力,这个设计概念解决了很多在设计数字控制电路时遇到的接口问题,使用这个总线标准的控制线可以免于EMI(ElectromagneticInterference)和ESD(ElectrostaticDsicharge)干扰。
I2C总线规范经过十几年的实践,发展了多层标准。
从传输速率上划分:
有标准模式(100Kbit/s),快速模式(400Kbit/s),高速模式(3.4Mbit/s);
从寻址范围上划分有7位地址模式和10位地址模式。
I2C总线的接口非常简单,只需一根数据线(SDA)和一根时钟线(SCL)。
I2C器件可以工作于主件(Master)模式和从件(Slaver)模式,但I2C总线上同时只能有一个主件和多个从件,每次传输规定有主件发起,通过从件地址(SlaverAddress)访问从件。
I2C是一个多主总线,即它可以由多个连接的器件控制。
尽管这种总线结构的数据吞吐能力不如并行总线,但由于其结构简单,构成的系统价格低,器件间连接结构紧奏,系统修改和可扩展性好,在现代数字系设计中应用越来越广泛。
现在,I2C总线已被所有主要的芯片厂家所利用,比较著名的世界性的半导体公司如:
XICOR、ST微电子、英飞凌科技、英特尔、MAXIM,ATMEL等等,获得飞利浦授权的厂家已有50多家,I2C总线已经成为世界的工业标准。
现场可编程逻辑器件(FPGA)由于兼具可编程逻辑器件的现场可编程的灵活性,以及门阵列器件集成度高的优点,在数字系统设计中被广泛采用。
近几年来,Xilinx等公司推出了内部嵌入储存器、微处理器的FPGA器件,使得这种器件的应用更显优越性;
但内部嵌入的储存器一般容量非常有限,难以满足某些特殊应用的需要。
因此,如能使FPGA器件具备I2C总线接口,将会使其与I2C储存器及其他I2C器件的扩展能力大大增强。
根据I2C总线的电气特性及其通信协议,在Altera公司的FPGA上可以很方便地实现I2C总线的通信接口,并且有高速、易调试、可以灵活地实现在线配置等优点,同时大大地减少了系统的开发周期。
研究目的和意义:
研究目的:
I2C总线是一种双线串行总线,它具有连线少、结构简单的优点,已经成为一种事实上的国际标准,现在很多公司生产的专用芯片、单片机等都集成了I2C总线接口。
FPGA(FieldProgrammableGateArray,即现场可编程门阵列)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,既解决了定制电路灵活性的不足,又拥有很快处理速度,可用于高速数字信号处理领域。
本文是基于FPGA(现场可编程门阵列)设计的I2C总线控制器接口,成本低,可扩展性好在数字系统中有着广泛的应用。
研究意义:
I2C总线最初是为音频和视频设备开发,现在在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信、消费类产品、通信类产品、仪器仪表、工业测控系统中,逐渐形成了以一个或者多个单片机组成的智能系统,在系统中应用I2C后将大大改变单片机应用系统结构性能、可以最大限度地简化结构,实现电路系统的模块化,可以大大缩短新产品的开发周期等。
当代电子产品的不断发展,对芯片的功能要求越来越多,对资源利用率的要求也越来越严格。
随着FPGA/CPLD的发展与其在现代电子设计中的广泛应用,FPGA/CPLD功能强大、开发过程投资小、周期短、可反复编程等特点就越来越明显。
在芯片上集成I2C功能模块,从而简化了电路、缩小了体积、提高了可靠性,而且使设计的灵活性更大、周期更短。
因此,学习和掌握I2C总线原理在嵌入式中的应用、FPGA的开发流程有着极其广阔的开发前景和应用前景。
研究内容(内容、结构框架以及重点、难点):
一、研究内容:
1、设计基于FPGA的I2C控制器接口的核心电路图;
2、实现基于FPGA的I2C控制器接口与I2C器件的通讯;
3、研究I2C控制器接口设计所需的条件和I2C控制器接口的扩展。
二、I2C控制器接口结构框架:
三、研究重点:
1、I2C原理研究;
2、I2C在嵌入式系统中的应用;
3、I2C控制器基于FPGA的实现。
四、研究难点:
1、数字电路时序分析、状态和寄存器原理;
2、Verilog硬件语言对I2C控制器描述;
3、在FPGA中控制器各个模块的实现和I2C器件的通讯;
4、FPGA硬件电路的设计。
研究方法、手段:
1、阅读I2C原理、微处理器通信原理中的相关章节;
2、查阅资料进行系统功能可行性分析;
3、与指导老师讨论,进行系统框架的搭建、分析每一功能模块的具体实现方案;
4、各功能模块的硬件编程、进行功能的仿真、调试、在FPGA开发板上实现;
5、采用统计分析的方法对实验结果理论研究。
研究进度:
第一阶段:
2011年11月20日——2011年11月25日论文选题、对比。
2011年11月26日——2011年11月30日查阅资料,理论知识的准备。
2011年12月1日——2011年12月29日论文框架结构的研究,初步定型。
第二阶段:
2012年1月1日——2012年3月29日硬件电路模块程序的编写调试。
2012年4月1日——2012年4月29日论文的撰写,完成初稿。
2012年5月1日——2012年5月20日论文的修改,定稿。
第三阶段:
2012年6月2日——论文答辩。
文献综述内容(包括:
国内外研究理论、研究方法、进展情况、存在问题、参考依据等)
I2C(Inter-IntegratedCircuit)总线产生于在20世纪80年代,是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备。
最初为音频和视频设备开发。
1992年首次发布I2C总线规范version1.0,并获得专利。
I2C总线实际上已经成为一种国际标准,在超过100多种不同的IC上实现而且获得50多家公司的许可。
但是在很多应用中,要求总线速度更高,工作电压更低,于是飞利浦公司也相应地在1998年发布I2C总线规范2.0,新版本在性能各个方面都得到了改进。
2001年发布总线规范2.1,完善和扩展了I2C总线的功能,I2C总线始终保持与科技同步,同时具有向下的兼容性。
I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接微处理器及其外围I2C设备,是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式,具有接口线少,控制方式简单,器件封装形式小,通信速率较高等优点。
现在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信(例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系统的配置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇)。
可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理,还有在消费类产品、通信类产品、仪器仪表、工业测控系统中使用I2C总线,使系统大大改变单片机应用系统结构性能、可以最大限度地简化结构,实现电路系统的模块化,可以大大缩短新产品的开发周期等。
传统的具有I2C协议功能的芯片在功能上具有一定的局限性,比如只能控制键盘或数码管等,而单片机和I2C器件的通讯只能通过单片机的I/O口模拟I2C协议与I2C器件进行通讯,没有专门的I2C控制器接口。
虽然有一些微处理器具有I2C协议接口,但是这些处理器较少且开发应用不太方便。
正因为这些专用集成电路并不能满足产品各种各样的需求,随着微电子技术和EDA技术的发展,大规模可编程逻辑器件PLD(ProgramableLogicDevice),现场可编程逻辑门阵列FPGA(FieldProgamableGateArray)完全可以取代大规模集成电路芯片,实现数字电路系统设计的功能。
我们在FPGA芯片上集成I2C功能模块使FPGA中具有处理器和I2C控制器的功能,从而简化了电路、缩小了体积、提高了可靠性,而且使设计的灵活性更大、周期更短,既解决了定制电路灵活性的不足,又拥有很快处理速度,可用于高速数字信号处理领域。
主要参考文献:
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[2]郭天祥.51单片机C语言教程-入门、提高、开发、拓展全攻略[M].电子工业出版社,2009,178-184.
[3]闫广明.PIC单片机的发展与应用[M].机械工业出版社,2011,218-242.
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[6]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M],北京航空航天大学出版社,2008,213-228.
[7]吴继华,王诚.设计与验证VerilogHDL[M],电子工业出版社,2009.
[8]姚远,李晨.FPGA应用开发入门与典型实例[M],人民邮电出版社,2010,241-345.
[9]杨夏,金渝,付蔚,王平.基于FPGA的I2C控制器设计[J],重庆邮电大学学报,第20卷第4期,2007.
[10]任玉伟.基于FPGA的I2C总线接口设计[J],中北大学电子测试技术国家重点实验室,第2期,2011.
指导教师意见:
签字:
年月日
学院审查意见:
签字:
备注:
毕业论文(设计)指导过程记录表
2009级
论文(设计)题目:
日期
进度及指导教师要求
教师签字
毕业论文(设计)指导教师意见表
职称
评语:
评分:
年月日
毕业论文(设计)评阅教师意见表
评阅教师
学院:
贵州民族学院毕业论文(设计)答辩记录表
姓名
学号
答辩内容:
学生介绍论文时间:
分钟问答时间:
分钟
答辩组人数:
组长姓名:
秘书签字:
专业:
年级:
毕业论文(设计)答辩委员会意见:
成绩:
答辩委员会主席:
毕业论文(设计)最终成绩:
学院领导签字:
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