基于CPLD的智能数字电压表设计开题报告宋由欢Word文档格式.docx

1、班 级：电信0802专业（全称）：电子信息工程指 导 教 师：刘 桥2011年 3 月一、 本课题设计（研究）的目的：1.锻炼对系统设计的认识，提高了对整个系统设计的全面把握能力2.将所学的零散知识进行整体的连系与整合，提高的自身自己知识综合应用的能力3.本次毕业设计，是要对系统进行独立的设计和制作，大大提高了自己对书本知识进 行实际的转化的能力4.本次毕业设计，是运用CPLD为核心进行设计，更加熟练掌握了运用VHDL语言的编程能力。由于是实物设计，使更加熟练的掌握了电路设计和PCB设计软件和设计思想的。5.本次毕业设计使自己更加容易的适应未来自己的工作起到了很强的过渡作用，使自己的能力更快的

2、在企业得到展现与发展。二、 设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）： 研究现状：1. EDA技术的现状电子设计技术的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术已有30年的发展历程，大致可分为三个阶段。70年代为计算机辅助设计（CAD）阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。80年代为计算机辅助工程（CAE）阶段。与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并

3、且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输人，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。90年代为电子系统设计自动化（EDA）阶段。随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展，推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和完善的ASIC设计技术。目前数字系统的设计可以直接面向用户要求，根据系统的行为和功能要求自上而下逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。上述设计过程除了系统行为和功能描述以外，其余所有的设计过程几乎都可以用计算机自动的完成，也就是说作到了电子设计自动化（EDA）。电子设计自动化（

4、EDA）的关键技术之一是要求用形式化方法来描述数字系统的硬件电路，即要用所谓硬件描述语言来描述硬件电路。所以硬件描述语言及相关的仿真、综合等技术的研究是当今电子设计自动化和测量仪器仪表领域的一个重要课题。2. 可编程逻辑器件研究现状ASIC设计。现代电子产品的复杂度日益提高，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ASC和可纪程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

5、将设计结果交由m厂家去进行格模制造，做出产品。这种设计方法的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，而缺点是开发周期长，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模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70年代以来，经历了PAL、GALGPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPLDFPGA高密度可编程逻辑

6、器件，目前集成度已高达 200万门片，它将格模ASC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，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。 上述ASIC芯片，尤其是CPLDFPGA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VHDL语言的现状硬件描述语言（HDL）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人

7、500至1000个门，而利用VHDL语言只需要书写一行“ABC”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高速集成电路硬件描述语言VHDL，1987年IEEE采纳VHDL 为硬件描述语言标准（IEEE STD1076）。 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、数据流和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俄语言的功能，

8、整个自顶向下或由底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点：（1）VHDL的宽范围描述能力使它成为高层进设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而花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艄设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。（3）VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。（4）VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。4. 数字电压表研究现状数字电压表在1952年由美国NLS公司首次创造，它刚开始是4位，50多年来，数字电压表有了不断的进步和提高。数字电压表是

9、从电位差计的自动化过程中研制成功的。开始是4位数码显示，然后是5位、6位显示，而现在发展到7位、8位数码显示；从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器、电子管发展到全晶体管、集成电路、微处理器化；从一台仪器只能测1-2种参数到能测几十种参数的多用型；显示器件也从辉光数码管发展到等离子体管、发光二极管、液晶显示器等。数字电压表的体积和功耗越来越小，重量不断变轻，价格也逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也逐步扩大。DVM的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，数字化是当前计量仪器发展的主要方向之一，而高准度的DC-DVC的出现，又使DVM进入了精密

10、标准测量领域。随着现代化技术的不断发展，数字电压表的功能和种类将越来越强，越来越多，其使用范围也会越来越广泛。采用智能化的数字仪器也将是必然的趋势，它们将不仅能提高测量准确度，而且能提高电测量技术的自动化程序，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。从而提高计量检定人员的工作效率。 发展趋势：1. EDA技术的发展趋势面对当今飞速发展的电子产品市场，设计师需要更加实用、快捷的EDA工具，使用统一的集成化设计环境，改变传统设计思路，将精力集中到设计构思、方案比较和寻找优

11、化设计等方面，需要以最快的速度，开发出性能优良、质量一流的电子产品，对EDA技术提出了更高的要求。未来的EDA技术将在仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及开发操作平台的扩展等方面取得新的突破，向着功能强大、简单易学、使用方便的方向发展。2. 可编程逻辑器件发展趋势可编程逻辑器件已经成为当今世界上最富吸引力的半导体器件，在现代电子系统设计中扮演着越来越重要的角色。过去的几年里，可编程器件市场的增长主要来自大容量的可编程逻辑器件CPLD和FPGA，其未来的发展趋势如下：（1）向高密度、高速度、宽频带方向发展在电子系统的发展过程中，工程师的系统设计理念要受到其能够选择的电子器件的限

12、制，而器件的发展又促进了设计方法的更新。随着电子系统复杂度的提高，高密度、高速度和宽频带的可编程逻辑产品已经成为主流器件，其规模也不断扩大，从最初的几百门到现在的上百万门，有些已具备了片上系统集成的能力。这些高密度、大容量的可编程逻辑器件的出现，给现代电子系统（复杂系统）的设计与实现带来了巨大的帮助。设计方法和设计效率的飞跃，带来了器件的巨大需求，这种需求又促使器件生产工艺的不断进步，而每次工艺的改进，可编程逻辑器件的规模都将有很大扩展。（2）向在系统可编程方向发展在系统可编程是指程序（或算法）在置入用户系统后仍具有改变其内部功能的能力。采用在系统可编程技术，可以像对待软件那样通过编程来配置系

13、统内硬件的功能，从而在电子系统中引入“软硬件”的全新概念。它不仅使电子系统的设计和产品性能的改进和扩充变得十分简便，还使新一代电子系统具有极强的灵活性和适应性，为许多复杂信号的处理和信息加工的实现提供了新的思路和方法。（3）向可预测延时方向发展当前的数字系统中，由于数据处理量的激增，要求其具有大的数据吞吐量，加之多媒体技术的迅速发展，要求能够对图像进行实时处理，就要求有高速的系统硬件系统。为了保证高速系统的稳定性，可编程逻辑器件的延时可预测性是十分重要的。用户在进行系统重构的同时，担心的是延时特性会不会因为重新布线而改变，延时特性的改变将导致重构系统的不可靠，这对高速的数字系统而言将是非常可怕

14、的。因此，为了适应未来复杂高速电子系统的要求，可编程逻辑器件的高速可预测延时是非常必要的。（4）向混合可编程技术方向发展可编程逻辑器件为电子产品的开发带来了极大的方便，它的广泛应用使得电子系统的构成和设计方法均发生了很大的变化。但是，有关可编程器件的研究和开发工作多数都集中在数字逻辑电路上，直到1999年11月，Lattice公司推出了在系统可编程模拟电路，为EDA技术的应用开拓了更广阔的前景。其允许设计者使用开发软件在计算机中设计、修改模拟电路，进行电路特性仿真，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。已有多家公司开展了这方面的研究，并且推出了各自的模拟与数字混合型的可编程器件，相信在未来几

15、年里，模拟电路及数模混合电路可编程技术将得到更大的发展。（5）向低电压、低功耗方面发展集成技术的飞速发展，工艺水平的不断提高，节能潮流在全世界的兴起，也为半导体工业提出了向降低工作电压、降低功耗的方向发展。3. 硬件描述语言的发展趋势（1）描述方式简便化20世纪80年代，电子设计开始采用新的综合工具，设计工作由逻辑图设计描述转向以各种硬件描述语言为主的编程方式。用硬件描述语言描述设计，更接近系统行为描述，且便于综合，更适于传递和修改设计信息，还可以建立独立于工艺的设计文件，不便之处是不太直观，要求设计师具有硬件语言编程能力，但是编程能力需要长时间的培养。到了20世纪90年代，一些EDA公司相继推出了一批图形化的设计输入工具。这些输入工具允许设计师用他们最方便并熟悉的设计方式（如框图、状态图、真值表和逻辑方程）建立设计文件，然后由EDA工具自动生成综合所需的硬件描述语言文件。图形化的描述方式具有简单直观、容易掌握的优点，是未来主要的发展趋势。（2）描述方式高效化和统一化C/C+语言是软件工程师在开发商业软件时的标准语言，也是使用最为广泛的高级语言。许多公司已经提出了不少方案，尝试在C语言的基础上设计下一代硬件描述语言。随着算法描述抽象层次的提高，使用C/C+语言设计系