（检测技术与自动化装置专业论文）基于sopc技术的汽车制动性能检测.pdf

摘要 摘要 在交通运输高速发展的今天，汽车正逐渐进入家庭成为生活的一一 部分。但交通事故频繁发生，其中约有半数以上是由于汽车制动性能 不良引起的，这给汽车制动性能检测技术的研究、检测设备及检测手 段的更新和发展提出了新的课题。 本文介绍了汽车制动性能检测系统的开发背景和意义；并介绍了 系统涉及的相关技术，以及现代电子设计发展的现状和趋势。根据实 际检测环境和技术要求，本文设计并实现了基于s o p c 技术的汽车制 动性能检测系统。为了排除与抑制测控系统中的干扰信号，进行了硬 件抗干扰设计和软件数据处理。实验和现场调试证明上述设计是可行 的。 本文的主要工作如下： 1 介绍汽车安全性能检测行业的发展状况和进行汽车安全性能检 测的意义以及国家相关检测标准。介绍了可编程逻辑器件、e d a 技术、 s o p c 以及硬件描述语言v h d l 的特点和结构。本系统采用a p e x 7 “ 2 0 k 2 0 0 ek i t 作为硬件开发平台。 2 介绍汽车制动性参量检测的国家标准及其技术指标、系统功能 与组成结构。提出了汽车制动性能检测系统的整体设计方案。 3 设计并实现了基于s o p c 的汽车制动性能检测系统。利用e d a 工具完成n i o s 系统配置，包括i p 核选择、c p u 设定、各部分接口模 块的设计、确定系统互联逻辑、分配f p g a 的引脚等。利用n i o ss d k s h e l l 环境及软件开发包( s d k ) 实现检测系统的软件开发。设计并实 现了系统的各硬件电路模块。 4 从硬件角度出发，分析硬件系统中干扰信号的种类，并针对各 自的特点提出了排除和抑制干扰信号的途径。 5 。从数字滤波的角度出发进行软件的抗干扰设计。介绍时间序列 分析的基本概念，研究了最小二乘算法和线性回归方程以及中值滤波 ，三至：些銮兰三：翌圭兰堡鎏兰 算法。 6 在前面软硬件设计基础上，完成了实验和现场调试， 关键词：汽车制动性能检测可编程逻辑门阵列( f p g a )可编程片上系统 ( s o p c )超高速硬件描述语言( v h d l ) a b s 丁r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t c o m ei n t of a m i l j e sa n db e e n a a c c i d e n t s h a p p e nf t e q u e n t l y ，a n d b r a k ep e r f o r m a n c e s oi t b f j n g s d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e sa n d b r a k e p e r f b r m a n c et e s t o f t r a n s p o r t ， a u t o m o b i l eh a s p a r t o fo u rl i f e b u tt r a m c m o s to ft h e ma r ed u et ob a d n e wt o p i c sf o fr e s e a f c ha n d e q u i p m e n t sa b o u ta u t o m o b i l e t b e p a p e ri n t r o d u c e st h es i g n i f i c a t i o na n db a c k g r o u n do ft h e a u t o m o b i l eb r a k e p e r f o r m a n c et e s ts y s t e m ，t h et r e n do fm o d e r n e l e c t r o n i c d e s i g nt o d a y a n ds o m er e l a t e d t e c b n o l o g i e s i t d i s c u s s e sa b o u tt h e d e s i g nm e t h o do fb r a k e d e r f o r m a n c et e s t s y s t e m a n dw ed e s i g nab r a k e p e r f o r m a n c et e s ts y s t e mb a s e d o n s o p c ，a c c o r d i n gt o t h e f a c t u a lc o n d i t i o n sa n dt e c h n i q u e r e q u i r e m e n t w ed oa n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g no nh a r d w a r ea n d d a t ap r o c e s si ns o f t w a r e ，a n dt e s tt h e mt oa v o i dt h ei n t e r f e r e n c e i nt h et e s ts y s t e m i ns u m m a r y ，t h em a i nw o r k si nt h e p a p e ri sb e l o w ： 1 i ti n t r o d u c e st h e s i g n i f i c a t i o n a n d b a c k g r o u n do ft h e a uf o m o b j l e b r a 】( e p e 订o r m a n c e e s t s y s t e m ， t f e n do fm o d e r n e l e c t r o n i cd e s i g nt o d a ya n ds o m er e l a t e dn a t i o n a lt e s ts t a n d a r d w ec a nk n o wp l d ，e d a ，s o p c ，v h d la n da p e x t m 2 0 k 2 0 0 e d e v e l o p m e n tb o a r dw h i c h w eu 8 et o d e v e l o p t h i s d e s i g n i n p a p e r 2 t h e p a p e r d i s c u s s e st h e t e c h n i q u e s o fa u t o m o b i l e b r a k e p e r f o r m a n c et a r g e t s ，i t sc o n s t i t u t i o na n df u n c t i o n b a s e d o nt h i s ，w ed e s i g nt h ew h o l ed e s i g np r o o e c ti n c l u d i n gs o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e s i g n 眦 3 t h e b r a k e p e r f o r m a n c et e s t s y s t e m i s p l a n n e da n d a c h i e v e d w ed o c o n f i g u r a t i o ni n c l u d e d e h o o s i n 譬 i pc o r e d e s i g n i n gc p u ，d e s i g n i n gi n t e r i a c em o d u l e s ，c o n f i r m i n gu n i t e 1 0 9 i ca n df i x i n gf p g a sp i n st on 1 0 s s y s t e mb ye d at 0 0 1 s a n dw ed e s 堙na n dt e s tt h es o f t w a r eb yu s i n gn i o s s d ks h e l 王 a n ds d k 4 f r o mt h ep o i n to fv i e wo fh a r d w a r e ，w e a n a l v s i sd i f f e r e n t t y p e s o fi n t e r f e r e n c e s i g n a l s i nh a r d w a r es y s t e ma n da d v a n c e m e t h o d st oa v o i da n dc o n t r o li n t e r f e r e n c es i g n a l s 5 t h ea n t i i n t e r f e r e n c e s o f t w a r ei sd e s i 譬n e df r o mt h ev i e w o fd i g i t a l f j l t e r i n g i ti n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e d t i o n so ft i m e s e r i e sa n a l y s i s ，l i n e a rl e a s t s q u a r e s a i g o r i t h m ，l i n e a rr e g r e s s i o n e q u a t i o na n dm e d i a nf i l t e r i n g 6 d o e x p e r i m e n t s a n dt e s tb a s e do nt h es o f t w a r e a n d h a r d w a r ed e s i g n k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ；b r a k ep e r f o r m a n c e ；f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ；s o p c ( s y s t e m o na p r o g r a m m a b l ec h i p ) ；v h d l ( v e r y h i g h s p e e d i n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 1 1 引言 第一章绪论 改革开放以来，我国国民经济的高速发展，同时带动了汽车制造 业和公路交通运输的发展，而我国汽车保有量也迅速增加。随着汽车 数量的增长，行车密度的加大，车速的提高，对公路安全的要求日益 迫切，同时也带来交通和环境保护等诸多社会问题。因此仅仅依靠汽 车本身的结构因素来保证行车安全，已经是不现实的事情，为保障车 辆安全运行、减小对社会公众的危害，对机动车的性能指标实行强制 性定期检查已经成为必要。 因而必须强化对车辆上涉及安全的主要部位，进行定期的检查， 并按一定的技术标准对它们的技术状况加以考核，通过具有一定精度 的各种检验台测试取得的数据，科学而又定量地判断车辆安全装置的 技术状况，给出恰当的评价。汽车检测是指在汽车不解体( 或仅卸下个 别小件) 的条件下，确定汽车技术状况和工作能力的检查。汽车在运行 过程中，其技术状况将随着行驶里程的增加而不断发生变化，它的使 用性能也逐渐变坏，从而导致汽车的制动性能下降、安全可靠性降低， 严重影响了汽车经济效益和运输效率的发挥1 2 “】。 汽车制动性能是汽车主动安全的主要性能之一，是汽车行驶安全的 重要保障。制动性能是汽车在行驶中能人为地强制降低行驶速度并根据 需要停车的能力，制动性能的优良与否直接关系到汽车的安全性能。有 关资料表明，因制动不良而导致的道路交通事故占事故总数的l 3 【2 - 4 1 。 汽车的制动性能不仅取决于制动系统的性能，还与汽车的行驶性能、轮 胎的机械特性、道路的附着条件以及与制动操作有关的人体工程特性有 密切关系。因此，汽车制动性能的检测研究为其制动性能试验研究和生 产检测提供了条件，为改进生产制造装配工艺、提高制动性能提供了指 导。 厂东t 业大学工学硕士学位论文 检测技术作为现代制造技术的重要组成部分，是监控生产过程和产 品质量的手段，不仅能准确地判断产品是否达到要求，更重要的是可以 通过检测数据的分析处理，正确判断原因。现代汽车检测技术主要是利 用先进的汽车检测仪器和设备，结合计算机、自动控制等高新技术来检 测汽车技术状况。随着现代高技术的发展，特别是微电子技术和超大规 模集成电路技术的发展，现代汽车检测技术己经发展成为一种涉及多学 科、相互交叉、相互渗透的综合应用技术。 电子设计的必由之路是数字化，这已成为共识。在数字化的道路 七，我国的电子设计技术经历了并将继续经历许多重大的变革。从应 用小规模集成电路( s s i ) 芯片构成电路系统，到广泛地应用微控制器或 单片机( m c u ) ，在电子系统设计上发生了具有里程碑意义的飞跃。不 言而喻，我国的电子设计技术发展到今天，又将面临另一次更大意义 的突破，即c p l d f p g a ( 复杂可编程逻辑器件，现场可编程门阵列) 在 e d a ( 电子设计自动化) 基础上的广泛应用，为数字系统的设计带来极大 的灵活性。由于该器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方 式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计方法和设计过程。可 编程逻辑器件具有高集程度、高速、高可靠以及开发便捷规范等优点， 有效地突破传统电子系统设计中的障碍，并使电子系统的性能有大幅 度的提高。 本文研究的汽车制动性能检测系统既不是单纯的测量系统，也不 是单纯的控制系统，而是以传感器、数据采集、计算机、伺服机构等 硬件和以动态实时数据处理与应用程序设计等软件共同组成的测量与 控制系统m3 1 。因此，对汽车制动性能检测的研究将具有重要的理论意 义和应用价值，同时在科学研究和工业生产过程中应用，必将产生巨 大的经济效益。 1 2 汽车制动性能检测系统开发的背景和意义 国际汽车制造商协会( 0 i c a ) 公布，2 0 0 0 年全球共生产汽车5 7 5 4 万辆，比1 9 9 9 年增长3 5 。其中轿车4 0 7 6 万辆，占汽车总产量的 第章绪论 7 0 8 ，产量比上年增长3 5 ，轻型两用汽车产量占汽车总产量的 2 5 5 ，产量比上年增长2 3 ；重型货车产量占3 4 ，产量比上年增 长3 8 ：大客车产量的比重很小，仅为0 2 6 ，但增幅却为1 5 8 。 我国的汽车工业发展很快，到2 0 0 0 年底，汽车生产能力超过2 5 0 万辆， 汽车产量从1 9 8 0 年的2 2 万辆快速增长到2 0 0 0 年的2 0 6 7 万辆，居世 界第八位，己成为世界汽车生产大国。其中，轿车产量6 2 万辆，居世 界第十四位【4 】。 随着汽车工业的快速发展，我国的汽车需求量也在不断增长，据 统计，2 0 0 1 年我国汽车需求总量为2 3 7 万辆，在2 0 0 0 年2 1 0 万辆基 础上增长l3 。轿车因多款国产新经济车型上市刺激市场，增速超过 总体汽车需求1 3 的增长速度，需求达到7 2 万辆左右。2 0 0 2 上半年， 我国汽车销售增长8 2 4 ，共售出8 4 0 余万辆。汽车千人保有量迅速 增加，从1 9 9 1 年的5 2 辆发展到2 0 0 1 年的1 1 辆【4 1 。 安全、环保和节能构成了当今世界范围内汽车发展需解决的三大问 题。随着汽车保有量的大幅上升，高速公路、高等级公路的不断建设， 汽车正逐渐进入家庭，成为人们生活中的一部分。而驾驶员非职业化， 车流密集化和车辆高速化，则对车辆的安全性能提出更高的要求，交通 安全问题也随之日益突出。据统计，根据日本损害保险协会2 0 0 1 年5 月6 日公布的调查结果，1 9 9 9 年该国在交通事故中伤亡约1 2 5 万人，造成的 经济损失和赔偿额高达3 4 8 万亿日元。2 0 0 0 年我国交通事故死亡人数己 达到7 6 4 0 0 多人，1 8 0 ，0 0 0 多人受伤，直接经济损失2 6 7 亿元。我国的 汽车保有量仅占世界汽车保有量的2 1 ，而交通事故死亡率却占世界交 通事故死亡率的1 4 ，成为世界上交通事故最严重的国家。在汽车交通 事故中，约有半数以上是由于汽车制动性能不佳引起的 4 1 。不仅如此， 汽车制动性能还直接影响汽车燃料经济性和运输生产效率，因此在实际 检测的基础上对在用车辆的制动性能进行分析和研究，找出其存在的问 题并提出解决的方法，对确保道路交通安全无疑具有非常重要的意义。 汽车的制动性能是汽车的主要性能之一，制动性能的检测对所有 车辆都是极其重要的检测项目。汽车的制动性能关系到人的安全，它 是汽车行驶的重要保障。汽车的制动性能是由汽车的制动系统决定的， 广东工业大学t 学硕士学位论文 其制动过程是很复杂的，它与汽车制动系统各参数选择有关。汽车本 身又是一个复杂的系统，在运行当中，各个总成之间都在运动，随着 时间的推移，各系统的技术状况都会发生变化，其技术状况将不断恶 化，造成汽车的各种性能的下降，从而使其发生故障的机会逐渐增加， 造成交通安全隐患的大量聚合。随着道路质量的提高和高等级公路及 高速公路的飞速发展，汽车行驶速度愈来愈快，因此对汽车制动性能 的要求愈来愈严格 5 】。 汽车制动性能是汽车安全检测的重要指标，制动性能检测项目包 括：制动力、制动力的平衡、车轮阻滞力、制动系统协调时间等 6 1 ，它 反映了制动系统各定位参数之间的匹配情况，若制动性能超出规定范 围，将影响汽车行驶的平顺性、安全性及运输效率，严重者将导致交 通事故，为保证交通安全，减少事故。因此，一方面要不断研制性能 优良的汽车；另一方面要借助检测和修理，恢复其技术状况。 车辆制动性能，这个和汽车与生俱来的组成部分，始终是汽车技 术高度关注的一个课题。在近几年，由于各方面技术，尤其是电子技 术的突飞猛进，促进了制动技术多种形式的发展，其检测技术、检测 设备也在不断更新和发展。 随着我国加入w t 0 ，汽车的一些标准与法规逐渐与国际接轨，我 国的制动法规g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 ( 汽车制动系统结构、性能和试验方法) 也 基本引用e c e r l 3 ( 欧洲经济委员会汽车制动法规) 的有关条款，因此， 在汽车制动检测中，按照e c e r l 3 的标准进行检测，对提高汽车制动 系统的安全性具有十分重要的意义 ”。 据国家统计局统计，按照目前的增长速度，到2 0 0 5 年我国汽车保 有量将达到3 0 0 0 万辆，其中轿车保有量将达到l 0 0 0 万辆。我国交通 部2 9 号令汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法、3 号令道 路运输行政处罚办法规定发布以后，各地相继建立了汽车安全及综 合性能检测站。据市场预测，随着我国机动车保有量的高速增长，汽 车维修企业今后每年将会以1 0 一1 5 的速度发展，各种类型的汽车安 全检测站将在各地陆续建立。2 0 0 0 年全年我国新建机动车检测站为 1 5 0 0 1 6 5 0 个，预计到2 0 1 0 年约建成2 4 0 0 2 5 5 0 个。若按每条检测线 4 第章绪论 配备2 0 台设备计算，则仅用在汽车检测线上的检测仪器，2 0 1 0 年就 可达到4 8 0 0 0 一5 1 0 0 0 台，再加上全国几f 万家汽车维修企业的需求量， 其数字是可观的。因此，中国汽车检测行业的发展潜力是巨大的，开 发汽车制动性测控系统会得到巨大的经济效益渺1 。 1 3 当前汽车制动- 陛能检测技术发展概况 国外一些经济技术比较发达的国家，早在4 0 5 0 年代就发展成以 故障诊断和性能调试为主的单项检测技术。进入6 0 年代后获得较大发 展，逐渐将单项检测技术连线建站，在向着既能进行维修检验又能进 行安全与环保检测的综合检测的方向发展 1 2 】。5 0 年代我国汽车检测 行业还主要采取传统的检测方法。8 0 年代国内汽车检测技术得到迅速 发展，但国外引进的技术和设备占相当比例。现在，全国已建立1 5 0 0 多个检测站，上千条检测线，基本实现普及应用。国产检测设备业也 得到迅速发展，产品的品种规格已在两千多种以上，基本满足国内需 求。 国外对汽车制动性能的研究和检测发展比较早，而且生产的试验 台现代化水平很高。如法国的萨基姆( s a g e m ) 公司，德国的博世 ( b o s c h ) 公司、申克( s c h e n c k ) 公司，意大利的马哈( m a h a ) 公司等 等，这些公司生产的汽车制动性能检验设备测试精度高，功能全，滚 筒耐磨损，不受温度的影响等特点。相比之下，我国制动性能检测设 备发展比较晚，而且产品的性能和功能和国外相比还有很大差距，例 如产品的可靠性差、自动化水平低、功能不全等】。 对于汽车制动性能的检验，g b 7 2 5 8 8 7 机动车运行安全技术条件 中规定了三种检验方法，即一般性道路试验( 路试) 、制动减速度检验 和用制动力检验台检验( 台试) 。制动性能只有能通过其中任意一种方 法的检验即位合格。目前，维修企业经常采用的方法是台试。像一些 国外的大公司如v o l v 0 公司采用路试与台试相结合的方法“。 传统的路试可以简便、直观地检测汽车的制动性能，但是，测试 的结果往往和驾驶员的操作方法、路面状况有关，其值变动较大；还 厂东工业大学工学硕士学位论文 受到气候条件及场地的限制，易发生试车事故；对轮胎、机件的磨损 较大。 台试的方法所使用的检验台虽然固定在室内，但町以当作移动的 路面来近似地模拟实际制动过程。它具有迅速、准确、经济、安全、 测试数据重复性好和能定量地指示出各轮的制动力等优点，因而成为 检验制动性能的重要手段。 而且国内外绝大部分厂家都采用滚筒反力式制动台进行检测，国 内的如合肥华西科技开发有限公司的k d z d 系列制动检验台、成都弥 荣科技发展有限公司的b t 一3 0 0 e ，l o o o e ，13 0 0 e 系列制动检验台，肇庆 华尔车辆检测设备有限公司的z d 系列等1 5 ”1 6 1 ，国外的如r o b o t e r m 公司的s t 0 ，r o 系列，s u n 公司的s b a 6 0 0 0 、s b a 2 0 0 0 系列反力式 制动台，m a h a 公司的i w 4 l o n 系列、1 w 2 w b 系统等1 7 “2 2 1 。 本课题研究开发的汽车制动性测控系统，采用常用的滚筒反力式 制动台，可以在不改变机械部分的基础上，利用原有的机械设备对检 测系统进行重构。而且性能和功能上可与国外同类产品相比，在国内 处于领先地位，对我国汽车检测设备和检测技术的发展具有重要的意 义。 1 4s o p c 技术的发展及应用 汽车检测技术的发展和提高离不开微电子技术和计算机技术在各 个生产和科学技术领域不断的广泛而深入的应用。测控技术及仪器仪 表在此影响下也取得了巨大的发展。微电子技术与计算机技术的发展 历史是+ 个不断创新的过程，这种过程包括原始创新、技术创新和应 用创新等。每一项创新都能开拓出一个新的领域，带来新的巨大的市 场，对我们的生产、生活方式产生巨大影响【2 3 1 。 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是以 p l d ( 可编程逻辑器件) 取代a s i c ( 专用集成电路) ，更加灵活、高 效的s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 解决方案。s o p c 代表一种新的系统设训。 技术，也是一种初级的软硬件协同设计技术。 第章绪论 与s o c 技术相比，集成电路只有安装在整机系统中才能发挥它的 作用。i c 芯片是通过印刷电路板( p c b ) 等技术实现整机系统的。尽 管芯片的速度可以很高，功耗可以很小，但由于p c b 板中芯片之问的 连线延时、p c b 板的可靠性及重量等因素的限制，整机系统的性能受 到了很大的限制。 而s o c 技术的产生基础是由于随着半导体工艺水平的不断进步， 使器件特征尺寸越来越小，芯片集成规模越来越大，数百万门级电路 可以集成在一个芯片上。多种兼容工艺技术的开发，使差别很大的不 同种器件可在同一个芯片上集成，把功能复杂的智能核( 处理器) 和 数字逻辑电路集成到同一个芯片上，做成一个完整的单芯片电子系统， 形成s o c 器件。 s o c 技术的研究、应用和发展是微电子技术发展的一个新的里程 碑。s o c 能提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板( p c b ) 空 间和更低的成本，带来了电子系统设计与应用的革命性新变革，可广 泛应用于移动电话、硬盘驱动器、p d a ( 个人数字助理) 和手持电子 产品等。s o c 是2 1 世纪电子系统开发应用的新平台2 5 埘】。 s o c 从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、 各层次电路，直至器件的设计紧密结合起来，在单个( 或少数几个) 芯片上完成整个系统的功能。s o c 的设计以i p 核为基础，以硬件描述 语言为系统功能和结构的主要描述手段，借助于以计算机外平台的 e d a 工具进行。研究表明，与i c 组成的系统相比，由于s o c 设计能 够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，因而可以在同样的工艺技术 条件下，实现更高性能的系统指标。s o c 技术，也大大促进了软硬件 协同设计及计算机系统设计自动化的发展。 s o p c 是a 1 t e r a 公司提出来的一种s o c 解决方案。它将处理器、 存储器、i ，o 口、l v d s 、c d r 等系统设计需要的功能模块集成到一个 p l d 器件上，构建成一个可编程的片上系统。它是可编程系统，具有 灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可 编程的功能。可编程器件内，还具有小容量高速r a m 资源。由于市场 上有丰富的i p c o r e 资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的系统， 广东工业大学t 学硕士学位论文 如单处理器、多处理器系统。有些呵编程器件内还可以包含部分可编 程模拟电路。除了系统使用的资源外，可编程器件内还具有足够的可 编程逻辑资源，用于实现其他的附加逻辑。 s o p c 的基本特征：至少含有一个嵌入式处理器内核；具有小容量 片内高速r a m 资源：丰富的i pc o r e 资源可供选择；足够的片上可编 程逻辑资源；处理器调试接口和f p g a 编程接口等。 s o p c 技术成为一个设计主流的原因主要有以下几点： 1 、运用嵌入的n i o s 软核。对于n i o s 软核，出于它是可配置的， 所以还可以应用于a l t e r a 公司任何其他的f p g a 芯片上。 2 、n i o s 可配置为3 2 位或1 6 位的c p u ，使设计人员能够在速度 与占有资源上做出最优选择。 3 、n i o s 带有大量的外设和接口库，如u a r t 、时钟、d m a 、 s d r a m 。并行i ，0 等。这些特点使得设计变得简单化，提供了设计可 靠性，降低了设计成本。 4 、采用先进的e d a 开发工具，如a l t e r a 公司的q u a t u si i ，以及 s 0 p cb u i l d e r 的出现，极大地提高了开发人员的工作效率。s o p c b u i l d e r 是一个自动化的系统开发工具，它能够极大地简化高性能 s o p c 的设计工作。该工具可以自动进行开发中的系统定义和集成过 程，从而大大缩短产品的上市时间，采用s o p cb u i l d e r ，设计人员能 够在一个工具内定义一个从硬件到软件的完整系统，而花费的时间仅 仅是传统s o c 设计的几分之一。s o p cb u i l d e r 内建的i p 核库是业界 领先的o p e nc o r ep l u s 版的n i o s 嵌入软核处理器。 5 、知识产权得到重视，越来越多的设计人员以“i p 核设计及复用” 的方式对现在的i p 核加以充分利用，从而提高他们的设计效率并缩短 上市时间。 6 、由于连接延迟时间的缩短，s o p c 可以提供增强的性能，而且 由于封装体积的减小，产品尺寸也减小了。 s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，目前o 1 3 肛m 的a s i c 产 品制造价格仍然相当昂贵，而集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、 外围i o 及可编程逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上有极大 第一章绪论 的优势。s o p c 技术，同目前流行的a r m 系列i c 不同，它是软件、 硬件都町裁减的，是完全意义上的嵌入式系统。所以，专家认为s o p c 代表了半导体产业未来发展的方向j 。 1 5 本文的研究内容和结构安排 本文的主要研究内容： 完成系统电路的设计：传感器信号处理电路、隔离放大电路、a ，d 数据采集接口电路、车轮速度测量电路、2 3 2 及4 8 5 总线的应用电路、 键盘及l c d 显示电路的设计；利用e d a 工具完成n i o s 系统配置，包 含i p 核选择、c p u 设定、各部分接口模块的设计、确定系统互联逻辑、 分配f p g a 的引脚等：利用n i o ss d ks h e l l 环境及软件开发包( s d k ) 用c 语言设计检测系统软件；讨论了对于系统中的干扰信号的排除与 抑制以及数据处理的问题，从误差的角度考虑提出几种滤波方法并根 据分析结论对测量数据进行处理；现场对系统软、硬件进行安装调试 以及标定实验，并根据测量数据的标定验证其有效性，使之符合相关 标准和实际应用环境。 本文的结构安排： 第一章绪论，介绍开发汽车制动性能检测系统的背景和意义，当前 国内、外的汽车制动性能检测技术发展状况，以及本文所采用的s o p c 技术的发展及应用状况； 第二章s 0 p c 及其相关技术，介绍了可编程逻辑器件、e d a 技术、 s o p c 技术以及硬件描述语言v h d l 的特点和结构，还有本系统采用硬 件开发平台的a p e x l m2 0 k 2 0 0 e 开发板； 第三章基于s o p c 技术的汽车制动性能检测系统，介绍汽车制动性 参量检测技术指标及构成方案，并讲述了本系统的功能与组成。在此基 础上按照国标检测标准提出了汽车制动性能检测系统的整体设计方案， 并进行了系统软硬件的设计。介绍了系统的抗干扰设计，目的在于使系 统能够适应现场实际应用环境，完善系统性能； 第四章测量数据方法研究与系统调试，是在硬件可靠性设计的基础 9 广东工业大学工学硕士学位论文 上，提出软件的可靠性设计。并对软件可靠性设计中的数字滤波算法进 行了研究，进行实验和现场调试部分。 1 0 篁三耋：坚垒苎垫，茎基銮 第二章s o p c 及其相关技术 本章介绍了论文工作涉及到的技术基础。介绍了可编程逻辑器件、 e d a 技术、s o p c 技术以及硬件描述语言v h d l 的特点和结构，还有 本系统采用硬件开发平台的a p e x l m2 0 k 2 0 0 e 开发板。 2 1p l d 与e d a 技术 2 1 1p l d 技术 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ，p l d ) 是一种由未连 接的逻辑阵列所组成，通过编程下载后将这些逻辑阵列连接成具有一 定逻辑功能的器件。它是在大规模集成电路技术发展基础上出现的一 种半定制的集成电路，运用e d a 软件工具可以快速方便地构建具有特 定功能的数字硬件系统c 3 引。 不论是组合逻辑电路还是时序逻辑电路，都是由基本逻辑门( 如 与、或、非、三态门等) 电路来构成。当然，由“与门或门”组合成的 p l d 器件功能简单。随着技术的发展和要求的提高，后来基于r o m 工 作原理” 、地址信号与输出数据问关系的启发，发展出了采用s r a m 查找表方式的高速的p l d 器件，这就是现场可编程逻辑阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t ea f r a y ，f p g a ) 33 1 。 可编程逻辑器件是2 0 世纪7 0 年代逐渐发展起来的一种新型器件。 它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可 靠性，而且给数字系统的设计方式带来了革命性的变化。p l d 器件从 产生到发展形成现在的f p g a 和c p l d 两大主流器件，主要经历以下 几个阶段： 随着集成电路的发展，特别是大规模集成电路出现以后，在2 0 世 纪7 0 年代中期出现的可编程逻辑阵列( p l a ) 是p l d 的雏形。p l a 在 厂东丁业大学工学硕士学位论文 结构上由可编程的“与”和“或”阵列组成，由于集成电路技术的制约， 阵列规模小，编程也比较繁琐。随后出现的可编程阵列逻辑( p a l ) 由可编程的“与”阵列和固定的“或”阵列组成，其设计比较灵活，易于 编程，器件速度快，因而成为第一代得到普遍应用的p l d 器件。 2 0 世纪8 0 年代初，美国的l a t t i c e 公司发明了通用阵列逻辑 ( g a l ) 。它采用输出逻辑宏单元( o l m c ) 的结构和e 2 p r o m 工艺， 具有可编程、可擦除和可长期保持数据的优点，使用灵活，因而得到 了广泛的应用。 2 0 世纪8 0 年代中期，p l d 器件进入了一个快速发展时期，不断 向大规模、高速度、低功耗的方向发展。此时期，a l t e r a 公司推出了 一种新型可擦除、可编程的逻辑器件( e p l d ) ，它采用c m o s 和 u v e p r o m 工艺制作，集成度更高，设计也更灵活，但内部连线功能 较弱。1 9 8 5 年，美国x i l i n x 公司推出现场可编程门阵列( f p g a ) ， 它是采用单元型结构的新型p l d 器件。在结构上，它内部由许多独立 的可编程逻辑单元构成，各逻辑单元之间可以灵活地相互连接，具有 密度高、速度快、编程灵活和可重新配置等优点。f p g a 已成为当前主 流的p l d 器件之一。本系统的f p g a 选用了a l t e r a 公司的a p e x e p 2 0 k 2 0 0 e 器件，这个器件为2 0 万门容量，1 8v 低功耗，具有多种 i o 接口和多钟配置方式的单片系统级集成的可编程逻辑器件。 当然，随着徼电子技术及设计方法的发展，p l d 技术也会随着时 代的发展而不断向密度更高、速度更快、功耗更低和功能更强的方向 发展3 3 ”35 1 。 2 。1 2 印a 技术 电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s 培na u t o m a t i o n ，简称e d a ) 是指利 用计算机完成电子系统的设计3 3 1 。设计人员只需要完成对系统功能的 描述，就可以由计算机软件进行处理，得到所需的设计结果。而且设 计过程所需作的修改，只要修改软件中相关部分即可，这样就极大地 提高设计效率。e d a 技术在硬件实现上融合了大规模集成电路技术、 第一：= 蕈s o p c 及其相关技术 i c 版图设计技术、a s i c 测试和封装技术、f p f a ，c p l d 技术、自动 测试技术等，在软件上它融合了计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制 造( c a m ) 、计算机辅助测试( c a t ) 、计算机辅助工程( c a e ) 等概念3 ”。 可见，e d a 技术以计算机为工具，代替人完成数字系统的逻辑综合、 布局布线和设计仿真等工作3 6 。其主要发展历程如下： 2 0 世纪6 0 年代后期，随着中小规模集成电路的开发应用，传统 的手工制图设计印刷电路板、集成电路及人工进行电路模拟、逻辑模 拟已无法满足设计精度和效率的要求，因此设计人员采用计算机进行 辅助设计，这样c a d 、c a m 就产生了。 到了8 0 年代中期，为了适应电子产品在规模和制作上的需要， 以计算机仿真和自动布线为主要特点的c a t 、c a e 就应运而生。其特 点是以工具软件为核心，通过这些完成产品开发的设计、分析、测试、 生产等各项工作。 进入9 0 年代以来，电子信息产品的开发明显地出现了两个新特 点：是开发产品的复杂程度日益加深，另一个是开发产品的上市时 限日益紧迫。所谓产品开发的复杂性是指设计者往往要设计出在更小 的面积上集成更多的功能、达到更高的性能和更高技术含量的电子系 统。所谓产品开发的时限性是指在产品市场寿命期限内，应让产品尽 早上市。电子系统的复杂性增强，产品设计师迫切需要更高级、更快 速高效的电子设计自动化e d a 工具，由此也就产生了以高级硬件描述 语言、系统级仿真、综合技术和功能验证为主要特征的e d a 技术。它 的出现，一方面使设计师摆脱了大量的辅助设计工作，而把精力集中 于创造性方案与概念构思上，从而极大地提高了设计效率，缩短了产 品的研制时间；另一方面使公司反复制作样品进行功能、性能测试， 而把力量集中于产品仿真与功能验证上，从而极大地缩短了研发时间， 加快了产品的上市速度。 我们这里开发f p g a 所用到的e d a 工具软件，即以计算机为工具， 在e d a 软件平台上，根据硬件描述语言( h d l ) 完成设计文件，自动完 成逻辑编译、化简、综合与优化、布局布线、仿真，直到对特定目标 芯片( f p g a c p l d ) 的适配编译、逻辑映射和器件编程等工作。有了e d a 厂东工业大学工学硕士学位论文 技术，设计者的工作主要在于利用软件的方式来完成对系统硬件的功 能描述，选择合适的f p g a ，c p l d 器件，就可以得到最后的设计结果。 尽管设计的目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同软件设计过 程一样的方便和高效。因此，现代e d a 技术真正实现了硬件“软”化和 软硬件的协同设计。 现代e d a 技术的基本特征是采用高级硬件描述语言( h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，h d l ) ，具有系统级仿真和综合能力。它是硬件 设计人员和电子设计自动化( e d a ) 工具之间的界面，用于数字电路、电 子整机系统的行为描述、电路模拟和自动设计。硬件描述语言在电子 系统硬件设计中的作用与编程语言在软件领域的作用是一样的。 随着电子系统向集成化、大规模、高速度的方向发展，使电子设 计会愈来愈复杂。通常对门级电路采用的逻辑图、布尔方程等描述方 法，由于其过于复杂、难以管理，已经变得难以使用。在复杂的大规 模数字系统的设计中，h d l 将逐步代替逻辑电路图这种烦琐的硬件描 述方法。它主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，使开发者从 一开始就要考虑到包括质量、成本、开发时间及用户的需求等诸多因 素的影响。然后从系统设计入手，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，最后再用逻辑综合优化 工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现可以是印刷 电路板或专用集成电路。近几年来，硬件描述语言等设计数据格式的 逐步标准化、不同设计风格和应用的要求导致各具特色的e d a 工具被 集成在同一个工作站上，从而使e d a 框架日趋标准化。 随着超大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通 信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表、图像 处理等领域的电子系统设计工作中，e d a 技术的含量正以惊人的速度 e 升；电子类的高新技术项目的开发也越来越依赖予e d a 技术的应 用。即使是普通电予产品的开发，e d a 技术常常使一些原来的技术问 题得以轻松突破，从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅 提高。 1 4 第二覃s o p c 及其相关技术 利用e d a 技术，采用高级硬件描述语言进行系统设计，既提高了 设计工作的效率，又提高了设计系统和成功率。目前，e d a 技术在发 达国家已成为电子工程师必备的技术。对比圈外，我国的e d a 技术起 步较晚，但目前，国内已有不少的科研院所逐步建立起了自己的e d a 研发中心，f p g a 的开发应用也日益普及。近年来，国内的许多重点 工程项目的系统设计也都逐步采用基于e d a 技术实现，如大唐公司和 西门子等合作生产t d s c d m a 芯片，清华大学的嵌入式c p u 和全国 即将使用的电子身份证i c ，中国自主研发的星光系列、方舟系列、汉 芯系列、神威系列、万通1 号、青鸟嵌入式芯片、北大众志一六八三 c p u 系统芯片等嵌入式c p u 和龙芯系列通用c p u 都广泛使用了 e d a 技术”】，此外还有国内许多公司设计的各种i c 都广泛采用了 e d a 技术。尽管e d a 技术在国防、通信等领域已得到了广泛的应用， 但在自动控制领域的应用还几乎为零，根据文献报道，目前只有西北 工业大学的阎金栋、卢健康采用c p l d 实现了数控机床的插补运算部 分3 8 】，天津大学的李勇棉、丁朋林、王国秀等人设计了步进电机的驱 动器 ，在通信产品的设计中华为、中兴大量采用f p g a 芯片且成立 了a s i c 设计中心，珠海矩力、科广等采用f p g a 作为i c 的设计验 证器件，山西矿业学院的韩成石、董长双采用p l d 器件实现了步进电 机的环形分配4 叭，郑州纺织工学院的丁淑敏、刘武发采用g a l 器件 实现对步进电机的控制4 1 1 ，其它还有华中科技大学也采用p l d 器件 实现对电机的环形分配器和控制卡4 2 4 3 1 ，台湾昆山科技大学的林明权 等人