基于FPGA的空调控制毕业设计毕业设计论文_精品文档Word文档格式.doc

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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正以空前规模和速度渗透到各行各业。

PLD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。

PLD作为当今电子设计领域应用最广泛的可编程器件之一，其原因是多方面的，PLD高集成度、可现场修改、开发周期短等优点满足了从军用到民用、从高端到低端的大多数电子设计领域的需求。

而可编程逻辑器件从出现至今只有短短二十年的发展历史，有很多电子设计工程师以至可编程逻辑器件产品的用户对这一器件的特性、优势还不是非常了解，部分有经验的设计师依然习惯于用单片机等传统工具从事电路设计，这样就影响了电子产品的市场竞争力，也忽略了产品的升级空间。

因此，十分有必要对PLD这一族器件进行全面细致的分析研究，从而更好地利用PLD的优势为电子设计服务。

1.2课题的内容及方法

本文主要介绍了可编程逻辑器件在数字系统设计中的应用，本文研究的脉络是以可编程逻辑器件的主要应用特性为主线，分析可编程逻辑器件应用研究的必要性和现实意义;

探讨可编程逻辑器件结构特点上以及在数字系统设计中与传统电子器件的区别;

比较主要的PLD大公司的产品、设计工具和编程语言，分析各公司产品的优势和不足。

同时本文以基于FPGA的空调温度控制系统设计为实例，比较形象地展现了可编程逻辑器件在数字系统设计中的特点和优势。

同时也使的对可编程逻辑器件的应用研究具体形象。

1.3论文结构安排

本文一共分为七章，各章的内容如下：

第一章介绍了课题研究的背景和意义，以及本课题的主要类容和研究方法。

第二章对可编程逻辑器件的发展了历程、结构、分类、应用前景、发展新趋势以及各主要PLD公司的系列产品的特点等做了比较细致的介绍和分析。

第三章对可编程逻辑器件具体的应用实例“基于FPGA的空调温度控制系统”做一个方案论证，通过与一个用单片机为核心芯片来进行设计的方案进行比较，使得用可编程逻辑器件来进行系统设计具有的优越性直观并具有很强的说服力。

第四章对空调温度控制系统进行硬件电路的设计。

第五章进行系统软件设计，将整个系统分为若干个分模块来实现所需要的各种功能。

第六章对软硬件进行系统联调开验证设计是否合理成功。

第七章对本次设计进行总结，并指出其中有待于完善之处。

第2章可编程逻辑器件

可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）是一类半定制的通用性器件，用户可以通过对PLD器件进行编程来实现所需的逻辑功能。

与专用集成电路ASIC相比，PLD具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势，因而得到了广泛应用，各项相关技术也迅速发展起来，PLD目前已经成为数字系统设计的重要硬件基础。

说到PLD的应用就不得不说到EDA技术和VHDL语言，因为PLD的应用是离不开EDA技术和VHDL语言的支持。

下面分别对这三个部分进行介绍。

2.1可编程逻辑器件介绍

2.1.1PLD的发展历程

从可编程逻辑器件的发展历史上看，其主要经历了从PROM、PLA、PAL、EPLD到CPLD和FPGA的发展过程。

它在结构、制造工艺、集成度、逻辑功能、速度和功耗上都有了很大的提高和改进。

通常，可编程逻辑器件的发展历史如下：

1.20世纪70年代，采用熔丝编程的PROM和PLA器件可以称作是最早的可编程逻辑器件，它可以根据用户的需要写入响应的信息来完成一次逻辑功能。

但由于熔丝烧断后不能再次接通，因此这时的器件编程是一次性的，写入后不能修改。

2.20世纪70年代末，MMI公司率先推出了一种新的可编程逻辑器件PAL，他也采用双极性型工业制作，熔丝编程方式。

从逻辑特性上来看，PAL器件不如PLA器件那样灵活和方便，但是它成本低、价格便宜、编程方便、编程器也较为便宜，另外它还具有保密位来防止非法读出，因此在当时获得广泛的应用。

3.20世纪80年代初、，Lattice公司推出了一种新型的可编程逻辑器件GAL，它克服了PAL的缺点应用起来更加灵活方便。

GAL采用电可擦除的CMOS工艺制作，采用电压信号可以擦除原来的信息从新进行编程操作。

另外，GAL器件的输出断口设置了可编程的输出逻辑宏单元（OLMC），设计人员通过编程可以将OLMC设置成不同的工作状态。

这样采用同一型号的GAL器件来实现PAL器件的各种电路输出工作方式，大大提高了器件的通用性。

4.20世纪80年代中期，Xilinx公司推出了现场可编程的概念。

同时生产了世界上的第一片FPGA器件。

FPGA的编程方式与PAL和GAL器件大为不同，它不是通过专门的编程器来完成的。

通常，它的设计过程是利用一套专用的设计软件来完成的，最后生成一个用来对FPGA进行编程的文件。

一般来说，FPGA的编程信息会存储在专用的RAM中，这样上电后外部RAM中的编程信息将会传到器件中的静态中，从而实现相应功能。

同一时期，Altrea公司推出了它的新一代可编程逻辑器件EPLD，它采用UVEPROM和EEPROM工艺制作，同时集成度要比PAL和GAL高的多，其产品多半属于高密度的可编程逻辑器件。

5.20世纪80年代末，Lattice公司又提出了在系统可编程逻辑技术，同时推出了一系列有在系统可编程能力的CPLD。

与EPLD相比，CPLD规模更大，结构更复杂，能够完成较为复杂的系统功能设计。

6.20世纪90年代后，可编程逻辑器件进入到飞速发展的阶段。

在生产工艺方面，可编程逻辑器件的线宽越来越小，集成门数越来越大，功耗越来越低；

在具体的器件编程方面，EEPROM逐渐取代了UVEPROM工艺，同时FPGA的现场可编程技术和CPLD的在系统可编程技术似的可编程逻辑器件在使用上更加的方便；

在测试技术方面，可编程逻辑器件大多数均可采用边界扫描测试技术，大大加强了器件、电路板和系统的可测试性；

在逻辑功能上，可编程逻辑器件内部嵌有微处理器，大大提高了器件的逻辑功能和处理能力。

2.1.2可编程逻辑器件的结构

PLD基本结构

：

PLD的基本结构如图所示，由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等4部分组成。

其中与阵列和或阵列是PLD器件的主体，逻辑函数靠它们实现；

输入缓冲电路主要对输入寻好进行预处理和提供足够驱动力。

PLD有多种输出方式，可以由或阵列直接输出。

也可以通过寄存器输出，并且可以将输出信号反馈到与阵列输入端。

新型的PLD则将输出电路做成宏单元，使用户可以根据需要选择各种灵活的输出方式。

目前使用最广泛的可编程逻辑器件是CPLD和FPGA。

CPLD：

早期的CPLD主要用来代替PAL器件，所以其结构与PAL、GAL基本相同，采用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。

在此基础上增加了一个全局共享的可编程与阵列，把多个宏单元连接起来。

另外，I/O控制模板的数量和功能都有了进一不的提高。

目前主要的半导体公司，如Xilinx、AlteraLattice和AMD公司等，虽然在各自生产的高密度PLD产品中都有自己的特点，但总体结构大致相同。

大多数的EPLD、CPLD器件中至少包括3中结构：

可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线。

CPLD为避免熔丝编程的一次性局限采用浮栅编程技术，包括紫外线擦除、电编程的EPROM工艺，电擦除、电编程的EEPROM工艺和Flash工艺。

FPGA：

各种FPGA在结构上的差异主要反映在可编程逻辑快CLB上，常见的结构主要有查找表结构、多路开关结构和多级与非门结构3种类型。

查找表型可编程逻辑快是查找表，由查找表构成函数发生器，通过查找表来实现逻辑函数。

在多路开关型FPGA中，可编程模块是可配置的多路开关，利用多路开关的特性对多路的输入和选择信号进行配置，接固定电平或输入信号上，从而实现不同逻辑功能。

采用多级与非门结构的器件是Altera公司的FPGA。

Altera公司的与非门结构基于一个由与门、或和异或门组成的逻辑快。

这个基本电路可以用一个触发器和一个多路开关来扩充。

多路开关选择组合逻辑输出、寄存器输出或锁存器输出。

异或门用语增强逻辑块的功能，当异或门输入端分离时，它的作用相当与或门，可以形成更大的或函数，用来实现其他的算术功能。

FPGA一般由可编程逻辑模块（CLB）、输入/输出模块、可编程互连资源（IR）和一个用于存放编程数据的静态存储器SRAM组成。

[7]

在FPGA中，常用的编程工艺有反熔丝和SRAM两类。

反熔丝工艺占用面积小，有利于提高芯片集成度但需要专门的编程器，且只能进行一次性编程。

SRAM工艺可重复编程，芯片价格可相应降低，但存在芯片一旦断电数据就会丢失的缺点，在使用时往往需要外附一个PROM或EPROM，从而增加了成本和体积。

2.1.3可编程逻辑器件的分类

随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件品种越来越多，型号越来越复杂。

每种器件有自己的特征，不同器件之间也存在许多共同点。

因此了解PLD分类情况，对于正确选用PLD是很重要的。

目前PLD尚无严格的划分标准，下面仅从集成度、可编程原理及结构特点三方面对PLD进行简单的分类。

★按集成度分：

PLD从集成密度可分为低密度可编程逻辑器件（LDPLD）和高密度可编程逻辑器件（HDPLD）两类。

通常，当PLD中的等效门数超过500门时，则认为它是高密度。

其具体的划分如下图：

PLD

LDPLD

HDPLD

PLA

PAL

GAL

CPLD

EPLD

FPGA

PROMMMM

★按可编程原理分类：

从可编程特性上可以将PLD分成一次性编程和重复可编程两类。

一次性可编程的典型产品是PROM、PAL和熔丝型FPGA，其他的可编程产品大多是重复可编程的。

一次性可编程器件的优点是集成度高、工作频率而后可靠性高、抗干扰能力强。

而重复可编程器件的优点是可多次修改设计，特别适用与系统样机的研制。

可编程逻辑器件的编程信息均存储在可编程元件中，根据可编程