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某本部学生论文范文
湖南科技大学
毕业设计(论文)
题目
基于VHDL的计程车计费系统设计
作者
学院
信息与电气工程
专业
通信工程
学号
指导教师
二〇一一年六月一日
湖南科技大学
毕业设计(论文)任务书
信息与电气工程学院通信工程系(教研室)
系(教研室)主任:
(签名)年月日
学生姓名:
王岩学号:
0704040302专业:
通信工程
1设计(论文)题目及专题:
基于VHDL的计程车计费系统设计
2学生设计(论文)时间:
自2011年3月1日开始至2011年6月1日止
3设计(论文)所用资源和参考资料:
[]李国洪.可编程器件EDA技术与实践[M].北京:
机械工业出版社,2004:
100-123.
[2]张玉杰,马立云,张贺艳.基于ARM和FPGA的LED显示屏控制系统的设计[J].计算机测量与控制,2009,17(12):
1~2.
[3]翟殿堂,方敏,历光伟.基于EDA的多功能计时器设计[J].信息技术,2008,17(11):
39-45.
[4]张立,张光新,柴磊,周泽魁.FPGA在多功能计费器系统中的应用[J].仪器仪表报,2005,26(28):
25-27.
[5]潭会生,张昌凡.EDA技术及应用[J].西安:
电子科技大学出版社.2001,16
(2):
46-48.
4设计(论文)应完成的主要内容:
(1).前言;
(2).EDA技术概述;
(3).硬件描述语言VHDL;(4).出租车计费系统的设计;
(5).基于VHDL的出租车计费系统的实现;
(6).系统仿真。
5提交设计(论文)形式(设计说明与图纸或论文等)及要求:
(1).撰写论文;
(2).论文要求字数达2万字,提供电子版和文字版;(3).论文包括目录、中英文摘要、关键词、方案选择及确定、技术要求、设计过程及参数计算、软件流程图及源程序、调试方法及步骤、小结等。
6发题时间:
2011年3月1日
指导教师:
(签名)
学生:
(签名)
湖南科技大学
毕业设计(论文)指导人评语
[主要对学生毕业设计(论文)的工作态度,研究内容与方法,工作量,文献应用,创新性,实用性,科学性,文本(图纸)规范程度,存在的不足等进行综合评价]
指导人:
(签名)
年月日
指导人评定成绩:
湖南科技大学
毕业设计(论文)评阅人评语
[主要对学生毕业设计(论文)的文本格式、图纸规范程度,工作量,研究内容与方法,实用性与科学性,结论和存在的不足等进行综合评价]
评阅人:
(签名)
年月日
评阅人评定成绩:
湖南科技大学
毕业设计(论文)答辩记录
日期:
学生:
学号:
班级:
题目:
提交毕业设计(论文)答辩委员会下列材料:
1设计(论文)说明书共页
2设计(论文)图纸共页
3指导人、评阅人评语共页
毕业设计(论文)答辩委员会评语:
[主要对学生毕业设计(论文)的研究思路,设计(论文)质量,文本图纸规范程度和对设计(论文)的介绍,回答问题情况等进行综合评价]
答辩委员会主任:
(签名)
委员:
(签名)
(签名)
(签名)
(签名)
答辩成绩:
总评成绩:
摘要
现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时,价格却一直呈下降趋势,而且产品更新换代的步伐也越来越快,实现这种进步的主要因素是集成电路的高速发展,各种设计、仿真、制造集成电路的工具也在高速发展。
如EDA技术的发展及CPLD和FPGA的出现,电子系统的设计技术和工具发生了巨大的变化,通过EDA技术对FPGA编程开发产品,不仅成本低、周期短、可靠性高,而且可随时在系统中修改其逻辑功能,给设计人员带来了诸多方便。
本文介绍了一种采用EDA技术进行出租车计费系统的设计方法,主要阐述如何使用新兴的EDA器件取代传统的电子设计方法,利用可编程逻辑器件,简洁而又多变的设计方法,缩短了研发周期,同时使出租车计费系统体积更小功能更强大。
使用VHDL语言进行编程,使其具有了更强的移植性,更加利于产品升级。
利用Max+plusII10.2对所设计出租车计费系统的VHDL代码进行了仿真。
关键词:
EDA;VHDL;Max+plusII;出租车计费系统
Abstract
Innowadays,thecapabilityandcomplexityofelectronicmanufacturehavebeengreatlyimproved,butthepriceisreduced,andtheupdatingspeedofelectronicmanufactureisquitefast.Themainreasonforthisisthedevelopmentofintegratecircuit,atthesametime,thetoolsfordesign、simulator、integratecircuitmakingaredevelopedwithhighspeed.Forexample,theinventionofEDAtechnologyandlarge-scaleprogrammablelogicdeviceFPGAleadstoabigchangetoelectronicsystemdesigntechnology.ByusingEDAtechnologytodevelopCPLDandFPGA,itwillhelpdevisertoreducecost,shortencycle,andadvancereliability,andalsobyusingit,it’spossibletoamendthelogicalfunctioninsystematanymoment.ThisarticlepresentsamethodofhowtouseEDAtodesignataxichargesystem,andhowtoreplacetraditionalelectricaldesignwithburgeoningEDAparts.ThedevelopperiodcanbeshortbecauseoftheprogrammablePLDandthedesignmethodwhichissimpleandvariable.ItbecomesmoretransplantableandeasiertoupgradebyprogrammingwithVHDLlanguageEmulatetaxifareregisterVHDLcodebyusingMax+plusII10.2.
Keywords:
EDA;VHDL;Max+plusII;TaxiChargeSystem
目录
第一章前言…………………………………………………………………1
1.1课题背景…………………………………………………………………1
1.2出租车计费器现状及发展趋势…………………………………………2
第二章EDA技术概述…………………………………………………4
2.1EDA技术简介……………………………………………………………4
2.2EDA技术的主要特征……………………………………………………4
2.3EDA发展趋势……………………………………………………………7
第三章硬件描述语言VHDL……………………………………………9
3.1VHDL简介………………………………………………………………9
3.2VHDL语言的特点………………………………………………………9
3.3VHDL设计方法…………………………………………………………10
第四章出租车计费系统的设计…………………………………………14
4.1出租车计费目标…………………………………………………………14
4.2基本设计思想……………………………………………………………14
4.3设计方案比较……………………………………………………………15
第五章基于VHDL的出租车计费系统的实现……………………18
5.1系统的总体设计………………………………………………………18
5.2系统的主要模块实现…………………………………………………19
5.2.1计费模块的实现…………………………………………………19
5.2.2十进制转换模块的实现…………………………………………20
5.2.3车费路程显示模块的实现………………………………………21
5.2.4八进制选择模块实现……………………………………………22
5.2.5显示译码模块实现………………………………………………23
第六章系统仿真………………………………………………………………25
6.1仿真工具MAX+PLUSⅡ………………………………………………25
6.1.1软件功能简介…………………………………………………25
6.1.2软件组成………………………………………………………25
6.1.3软件设计流程…………………………………………………26
6.2仿真结果……………………………………………………………27
6.2.1十进制转换模块的仿真结果……………………………………27
6.2.2计费模块的仿真结果……………………………………………27
6.2.3车费路程显示模块的仿真结果…………………………………28
6.2.4八进制选择模块的结果验证……………………………………28
6.2.5显示译码模块的结果验证………………………………………29
第七章结论…………………………………………………………………30
参考文献…………………………………………………………………………31
致谢………………………………………………………………………………32
附录A……………………………………………………………………………33
第一章前言
1.1课题背景
随着出租车行业的发展,对出租车计费器的要求也越来越高。
二十世纪后半期,随着集成电路和计算机技术的飞速发展,数字系统也得到了飞速发展,其实现方法经历了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVLSI的过程。
同时为了提高系统的可靠性与通用性,微处理器和专业集成电路(ASIC)逐渐取代了通用全硬件LSI电路,而ASIC以其体积小、重量轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。
目前,业界大量可编程逻辑器件(PLD),尤其是现场可编程逻辑器件(FPLD)被大量地应用在ASIC的制作当中。
在可编程集成电路的开发过程中,以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果的电子设计自动化(EDA)技术主要能辅助进行三方面的设计工作:
IC设计,电子电路设计以及PCB设计。
理想的可编程逻辑开发系统能符合大量的设计要求:
它能够支持不同结构的器件,在多种平台运行,提供易于使用的界面,并且有广泛的特征。
此外,一个设计系统应该能给设计师提供充分自由的设计输入方法和设计工具选择。
Altered公司开发的MAX+PLUSⅡ开发系统能充分满足可编程逻辑设计所有要求。
MAX+PLUSⅡ设计环境所提供的灵活性和高效性是无可比拟的。
其丰富的图形界面,辅之以完整的、可及时访问的在线文档,使设计人员能够轻松、愉快地掌握和使用MAX+PLUSⅡ软件。
编程器是一种专门用于对可编程器(如EPROM,EEPROM,GAL,CPLD,PAL等)进行编程的专业设备PLD器件的逻辑功能描述一般分为原理图描述和硬件描述语言描述,原理图描述是一种直观简便的方法,它可以将现有的小规模集成电路实现的功能直接用PLD器件来实现,而不必去将现有的电路用语言来描述,但电路图描述方法无法做到简练;硬件描述语言描述是可编程器件设计的另一种描述方法,语言描述可能精确和简练地表示电路的逻辑功能,现在PLD的设计过程中广泛使用。
常用的硬件描述语言有ABEL,VHDL语言等,其中ABEL是一种简单的硬件描述语言,其支持布尔方程、真值表、状态机等逻辑描述,适用于计数器、译码器、运算电路、比较器等逻辑功能的描述;VHDL语言是一种行为描述语言,其编结构类似于计算机中的C语言,在描述复杂逻辑设计时,非常简洁,具有很强的逻辑描述和仿真能力,是未来硬件设计语言的主流[]。
VHDL就是超高速集成电路硬件描述语言。
覆盖面广,描述能力强,是一个多层次的硬件描述语言。
在VHDL语言中,设计的原始描述可以非常简练,经过层层加强后,最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。
具有良好的可读性,即容易被计算机接受,也容易被读者理解。
使用期长,不会因工艺变化而使描述过时。
因为VHDL的硬件描述与工艺无关,当工艺改变时,只需修改相应程序中的属性参数即可。
支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。
一个大规模的设计不可能由一个人独立完成,必须由多人共同承担,VHDL为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。
[2]
1.2目前出租车计价器存在的问题和改进方案
出租车计费器是一种按照一定的要求自动进行计费的装置,应用在出租车上使出租车行业的收费更加规范、方便。
目前市场上使用的出租车计费器主要采用的都是利用微控器如89C51、μPD78F0034单片机实现的计费器设计,该系列单片机工作频率一般不大于24MHz,而且可拓展资源有限[3]。
传统的出租车计费器由于发展使用了十几年,在稳定性、成本、以及使用习惯上都具有一些优势,但在营运过程中系统不是很稳定,有时造成死机的现象。
而且不同国家和地区的计费方式存在差异,有些地区有夜间收费及郊区收费等,而有些地区则无夜间收费和郊区收费;即使同一地区,不同车型的出租车,其计费方式也有差别;由于个别地区对计费器有特殊要求,有时必须修改软件;另外,计费器还面临软件升级问题;因而,所设计的计费器应能很方便地重新编程。
另一方面,由于油价的不断上涨,出租车还面临调价或调整计费方式等问题。
[4]
随着我国国民经济的高速发展,出租汽车已成为城市公共交通的重要组成部分。
近几年来,出租车汽车行业在各地蓬勃发展,出租车经营也从无序状态逐渐走入正轨。
出租车计价器成为出租车运营中必配的、可靠的计量器具,其使用准确性直接关系到经营者与乘客的经济利益。
但在实际运营中,总有不少经营者或乘客反映相同路径,不同的出租车的收费有较大的出入。
目前出租车计价器存在的问题主要有:
(1)计价器作弊的问题,有些出租汽车司机在计价器上做手脚,多收乘客租金。
常见的手段是:
输入非法脉冲,计价器主要靠传感器发出的脉冲来计数,脉冲数的多少即汽车行驶里程的多少。
作弊者利用这一原理,额外向计价器输入脉冲,其方法多种多样如利用车内收音机、电动剃须刀。
(2)毛刺(竞争一冒险)现象。
主要影响数字系统设计有效性和可靠性的主要因素,由于毛刺的存在,使得系统存在诸多潜在的不稳定因素,尤其是对尖峰脉冲或脉冲边沿敏感的电路就更是如此。
毛刺通常主要对电路的触发清零端CLR、触发复位端RESET、CP端、锁存器的门控端和专用芯片的控制端等产生严重的影响,会使电路发生误动作,从而造成数字系统的逻辑混乱。
[5]
相对于计价器作弊的问题,改进的方法:
(1)传感器输出编码脉冲。
传感器输出的脉冲其脉冲宽度、占空比等参数都是可变的,使计价器与传感器对号入座。
(2)传感器输出加密脉冲,近年来由于电子技术的发展,已有商品化的加、解密器件供应,只要在传感器与计价器之间加入这种器件,就可以使计价器发出的加密脉冲,而其他传感器或脉冲一概不认。
(3)加入启动速度的判别电路:
利用汽车启动时速度总是由零逐步增高的道理,而非法的外加脉冲总是以固定速度加入的,当加入了判别电路后,如果速度不是由低到高则计价器拒绝接受。
在竞争冒险消除毛刺的主要的方法:
(1)调整路径延时,毛刺归根到底是由于延时不同而引起的,因此只要让门电路的所有输入信号具有相同的延时,毛刺就不会产生。
所以消除毛刺最原始、最直接的方法就是调整延时。
(2)引入选通信号,由于竞争仅仅发生在输入信号变化转换的瞬间,在稳定状态是没有竞争的,所以在输入信号稳定后进行选通就可以彻底消除尖峰脉冲。
本课题采用CPLD芯片为核心,用较少的硬件和适当的软件相互配合主要解决以下问题:
(1)不同地区的计费方式存在差异;即使同一地区,不同车型的出租车,其计费方式也有差别;另一方面,出租车还面临几年一次的调价或调整计费方式等问题。
因此,所设计的计费器不仅要能满足不同地区的要求,而且计费方式的调整也应当很方便。
(2)由于个别地区对计费器有特殊要求,有时必须修改软件;另外,计费器还面临软件的升级;因而,所设计的计费器应能很方便地重新编程。
(3)计费器必须要有防作弊功能,能有效防止司机作弊;同时要防止计费器在营运过程中死机。
第二章EDA技术概述
2.1EDA技术简介
EDA(EssentialElectronicDesignAutomation,电子线路设计自动化)是以计算机为工作平台、以VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,超高速集成电路硬件描述语言)为设计语言、以可编程器件如CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice,复杂可编程逻辑器件)/FPGA(FieldProgrammableGateArray,现场可编程门阵列)为实验载体、以ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,应用特定集成电路)/SOC(SystemOnChip,片上系统)芯片为目标器件、进行必要的元件建模和系统仿真的电子产品自动化设计过程。
EDA是电子设计领域的一场革命,它源于计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测试和计算机辅助工程。
利用EDA工具,电子设计师从概念、算法、协议开始设计电子系统。
从电路设计、性能分析直到IC版图或PCB版图生成的全过程均可在计算机上自动完成。
EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向,其基本特征是设计人员以计算机为工具,按照自顶向下的设计方法,对整个系统进行方案设计和功能划分,由硬件描述语言完成系统行为级设计,利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载,这被称为数字逻辑电路的高层次设计方法[6]。
这种基于芯片设计方法具有设计灵活、修改快捷、调试方便、研制周期短、系统可靠性高等优点。
2.2EDA技术的主要特征
EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向,它的基本特征是:
设计人员按照“自顶向下”的设计方法,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(ASIC)实现,然后采用硬件描述语言(HDL)完成系统行为级设计,最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。
这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。
下面介绍与EDA基本特征有关的几个概念。
(1)“自顶向下”的设计方法
10年前,电子设计的基本思路还是选择标准集成电路“自底向上”的构造出一个新的系统,这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔,不仅效率低、成本高而且容易出错。
高层次设计给我们提供了一种“自顶向下”(Top–Down)的全新设计方法,这种设计方法首先从系统设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。
在方框图一级进行仿真、纠错,并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统一级进行验证。
然后用综合优化工具生成具体门电路的网表,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。
由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的,这一方面有利于早期发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,同时也减少了逻辑功能仿真的工作量,提高了设计的一次成功率。
[7]
图2.1自顶至下的设计方法
(2)ASIC设计
现代电子产品的复杂度日益加深,一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成,这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题,解决这一问题的有效方法就是采用ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)芯片进行设计。
ASIC按照设计方法的不同可分为:
全定制ASIC,半定制ASIC,可编程ASIC(也称为可编程逻辑器件)。
设计全定制ASIC芯片时,设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则,最后将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成。
优点是:
芯片可以获得最优的性能,即面积利用率高、速度快、功耗低。
缺点是:
开发周期长,费用高,只适合大批量产品开发。
半定制ASIC芯片的版图设计方法有所不同,分为门阵列设计法和标准单元设计法,这两种方法都是约束性的设计方法,其主要目的就是简化设计,以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。
可编程逻辑芯片与上述掩膜ASIC的不同之处在于:
设计人员完成版图设计后,在实验室内就可以烧制出自己的芯片,无须IC厂家的参与,大大缩短了开发周期。
可编程逻辑器件自七十年代以来,经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段,其中CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件,目前集成度已高达200万门/片,它将掩膜ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起,特别适合于样品研制或小批量产品开发,使产品能以最快的速度上市,而当市场扩大时,它可以很容易的转由掩膜ASIC实现,因此开发风险也大为降低。
上述ASIC芯片,尤其是CPLD/FPGA器件,已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。
(3)硬件描述语言
硬件描述语言(HDL—HardwareDescriptionLanguage)是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言,它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式,与传统的门级描述方式相比,它更适合大规模系统的设计。
例如一个32位的加法器,利用图形输入软件需要输入500至1000个门,而利用VHDL语言只需要书写一行A=B+C即可,而且VHDL语言可读性强,易于修改和发现错误。
早期的硬件描述语言,如ABEL–HDL、AHDL,由不同的EDA厂商开发,互不兼容,而且不支持多层次设计,层次间翻译工作要由人工完成。
为了克服以上不足,1985年美国国防部正式推出了VHDL(VeryHighSpeedICHardwareDescriptionLanguage)语言,1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准(IEEESTD-1076)。
VHDL是一种全方位的硬件描述语言,包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次,支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述,因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能,整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。
(4)VHDL的优点
(1)VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心,将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试,而化较少的精力于物理实现。
(2)VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的
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