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本科毕业设计--基于fpga的数据采集系统电路设计.doc
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本科毕业设计--基于fpga的数据采集系统电路设计.doc
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基于 FPGA 的数据采集系统电路设计
毕业论文(设计)
题目 基于 FPGA 的数据采集系统电路设计
1
目录
第一章 绪论...................................................................3
1.1 引言..................................................................3
1.2 EDA 简介 ..............................................................3
1.3 FPGA 简介 .............................................................3
1.4 VHDL 语言简介 .........................................................3
1.5 Quartus II 简介 .......................................................4
1.6 数据采集技术简介......................................................4
第二章 总体设计...............................................................4
2.1 硬件设计..............................................................4
2.1.1 线性电源模块��������������������������4
2.1.2 数据采集模块��������������������������6
2.1.3 数据输出模块��������������������������8
2.1.4 按键控制模块 �������������������������10
2.2 软件设计.............................................................11
2.2.1 ADCINT 设计 ��������������������������11
2.2.2 CNT10B 设计 ��������������������������12
2.2.3 RAM8 设计 ���������������������������12
2.2.4 时钟控制设计 �������������������������12
2.2.5 系统顶层设计 �������������������������13
第三章 系统软硬件调试........................................................14
结论.........................................................................15
致谢.........................................................................15
参考文献.....................................................................15
英文翻译.....................................................................17
附录一 线性电源、FPGA 外围电路和 FPGA 最小系统连接口 PCB.......................18
附录二 系统各模块 VHDL 程序...................................................19
2
摘要
论文介绍了基于 FPGA 的数据采集系统电路的工作原理和设计过程。根据数
据采集技术原理,以 Altera 公司的 EP2C8Q208C8N 芯片为核心器件,通过
ADC0809 采集数据,并用 DAC0832 输出数据,在 Quartus II 平台上,通过 VHDL
语言编程完成数据采集系统电路的软件设计、编译、调试、仿真和下载,再与外
围硬件电路相结合调试与设计,最终实现数据采集系统电路的完成。
【关键词】FPGA Quartus II VHDL 数据采集
3
第一章 绪论
1.1 引言
随着数字系统的发展,广泛应用于各种学科领域及日常生活,微型计算机
就是一个典型的数学系统。但是它只能对输入的数字信号进行处理,其输出信号
也是数字信号。而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模拟量,
如温度、压力、流量、速度等,这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对
应的电压、电流或频率等电模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、
运算和控制,就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即常常需要将
模拟量转换成数字量,简称为 AD 转换,完成这种转换的电路称为模数转换器,
简称 ADC。
1.2 EDA 简介
EDA,即电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写。它融合
了大规模集成电路制造急速、ASIC 测试和封装技术、FPGA/CPLD 编程下载技术、
自动测试技术、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测
试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)设计的设计概念,为现代电子理论和设计的
实现和发展提供了可能性
[1]
。
EDA 技术是一种综合性学科,打破了软件和硬件见的壁垒,把计算机的软件
技术与硬件技术、设计效率和产品性能结合在一起,它代表了电子设计技术和应
用技术的发展方向。
EDA 技术一般包括以下内容:1.大规模可编程逻辑器件;2.硬件描述语言;
3.软件开发工具;4.实验开发系统
[2]
。
1.3 FPGA 简介
FPGA,即现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array)的缩写。
它是一种集成度较高的器件,属于复杂 PLD。
FPGA 具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点,在
产品研发和开发中具有很大的优势。用 FPGA 做一些协议实现和逻辑控制,如果
协议理解错误或者逻辑需要更改,不需要动 PCB。另外,FPGA 芯片是小批量系统
提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前 FPGA 的品种很多,有 XILINX
的 XC 系列、TI 公司的 TPC 系列、ALTERA 公司的 FIEX 系列等。本设计用的是
Altera 公司的 EP2C8Q208C8N 芯片,里面有 68416 个逻辑单元,并提供了 622 个
可用的输入/输出引脚和 1.1M 比特的嵌入式寄存器。它提高了百分之六十的性能
和降低了一半的功耗,而低成本和优化特征使它为各种各样的汽车、消费、通讯、
视频处理、测试与测量、和其他最终市场提供理想的解决方案
[3]
。
4
1.4 VHDL 语言简介
诞生于 1983 年的 VHDL,是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware
Description Language 的简称,1987 年底,VHDL 被作为“IEEE 标准 1076”发布。
VHDL 不仅可以作为系统模拟的建模工具,而且可以作为电路系统的设计工具,
能通过 Quartus II 把 VHDL 源码自动转化为基本逻辑元件连接图,这极大的推进
了电路自动设计
[4]
。
VHDL 能从多个层次对数字系统进行建模和描述,所以大大简化了电路设计的
任务,提高了设计效率。
1.5 Quartus II 简介
由 Altera 提供的 FPGA 开发集成环境―Quartus II,因为其运行速度快,界
面统一,功能集中,易学易用等特点,迅速占领了市场
[5]
。
Quartus II 支持 VHDL、Verilog 的设计流程,提供了完整的多平台设计环境,
能满足各种特定设计的需要,同时,它还具备仿真功能,因此给系统的软硬件设
计和调试带来了很大的便利。
1.6 数据采集技术简介
系统利用 FPGA 直接控制 ADC0809 对模拟信号进行采样,将转换好的 8 位二
进制数据存储到存储器中,在完成对模拟信号一个或数个周期的采样后,通过
DAC0832 的输出端将数据读取出来。
第二章 总体设计
2.1 硬件设计
2.1.1 线性电源模块
根据系统要求,需提供+12V、-12V、+5V 的电源。因此我采用了滤波电容、
防自激电容、LED 灯及固定式三端稳压器 LM7905、LM7812 和 LM7912 等器件搭建
成能产生精度高、稳定度好的直流输出电压的线性电源电路。
系统的线性电源电路部分原理图如图 2.1 所示:
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