超声波定位系统.doc

天津大学仁爱学院2011届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 实景数字游戏的提出意义随着IT技术的发展，游戏已从传统游戏发展为当今流行的数字游戏。近年来国际上数字游戏行业迅猛发展以及欧美、日本、韩国等游戏产业项目大量进入中国，使国人感受到了游戏产业的巨大魅力。从早期的电子游戏到近年来风靡一时的网络游戏，嘉年华、迪斯尼等国外各类经典游戏，使我们清楚看到了中国数字游戏产业与国际的差距。据估计，中国目前数字游戏产业总规模至少有几百亿元的巨大市场，其中相当一部分流行的游戏模式来源于国外，这就进一步促使我们奋起直追，而实景数字游戏模式则是缩小与国外差距，并超越他们的一个很好的机会。因为当今世界游戏的发展已经进入了一个崭新的时期，平面游戏由于其单一的表现形式，逐步趋近于其瓶颈，而对游戏多元化的体验的追求，成为现今游戏发展的必然出路。实景数字游戏是指在真实的环境中，通过计算机、电子、通信、网络、自动控制、航空航天、人机智能交互与软件等技术，共同构建了一个基于实景的游戏环境，游戏参与者利用运营商提供的PDA、特殊电子装备、服装以及电子化道具等设备，完成由运营商提供的丰富多彩的基于真实环境的真人任务，也可以尝试自己设计的各种剧本和角色，真实地体验角色扮演游戏和互动游戏的魅力。在游戏中，PDA、手机、电脑以及大量的电子设备都变成了游戏实景世界中的游戏设备与道具。GPS定位技术、卫星定位技术、计算机网络技术、移动通信技术以及智能化数字终端技术等多种技术被整合在一起。实景数字游戏是对传统游戏的又一次革命，是电视游戏、网络游戏之后的一项全新数字化娱乐方式1。1. 2实景数字游戏的国内外发展现状迪斯尼公园创立于1922年，经过多年的发展已成为一个跨国集团，其业务涉及电影，主题公园，房地产以及其他娱乐事业等各个领域。它在2005年初成立实景数字游戏开发机构，计划利用计算机新技术开发新游戏，目前已经有新项目问市。中国目前的数字娱乐产业总规模至少在几百亿元，但其中相当一部分流行的娱乐模式来自于国外。面对迪斯尼、魔兽世界等国外各类经典娱乐模式的冲击，业内人士曾发出感慨：“中国的数字娱乐产业，还有很长的路要走。”这其中，深厚的技术实力，悠久的历史文化背景等，形成了最主要的差距。在2006年底由中国时代远望科技有限公司下属的北京爱航工业公司宣布 “Majoy真人实景数字游戏”正式问世，首个开放地点位于北京市石景山区国际雕塑公园内。这也是国内首个自主研发的真人实景数字游戏项目。它一经出现就吸引了众多顾客的光顾，市场潜力很大。1.3 本文主要研究内容本课题研究的重点是模型坦克对战系统的超声波定位。模型坦克的超声波定位是实景数字游戏与遥控游戏的最大区别，同时也是实景数字游戏的一大亮点。通过软硬件的结合，实现具体的控制方案。在超声波定位系统中，对定位信号的控制，应用了射频收发模块（J04V、F05P），编解码的功能完全采用复杂可编程逻辑控制器（CPLD）完成，这样的超声波定位系统较应用无线编解码模块（2262，2272）的定位系统极大的缩短了延时时间，从而提高了定位精度。本文主要工作如下：1 学习无线局域网技术，利用无线网卡、嵌入式无线设备服务器和无线接入点建立无线局域网。2 学习FPGA/CPLD技术，在可编程控制器上，利用Verilog语言实现模型坦克控制指令的接收和坦克模型状态信息的回传。3 学习无线射频编解码模块的原理及功能，恰当的应用与本设计。4 学习超声波定位和时分复用技术，用Verilog语言实现超声波定位系统中模型坦克端、及接收端程序的编写。5 学习硬件设计和PCB技术，设计坦克模型控制、无线射频收发和超声波定位系统的硬件电路，并绘制PCB板。本文共分为六章，结构如下：第一章：绪论。这一章主要阐述了本课题的选题背景、研究意义，并说明了本文的主要工作任务。第二章：系统整体设计。本章介绍系统的整体功能，整体构架、各模块的功能和系统开发平台及相关工具。第三章：系统的相关原理。本章总共分5节。第一节介绍无线局域网技术，首先从无线局域网标准、拓扑结构等介绍无线局域网基本技术，最后介绍无线局域网的构建。第二节从超声波定位原理和时分复用实现多辆坦克模型的定位两个方面来介绍超声波技术。第三节介绍的是介绍接收器参考点的选取的基本原则和示例。第四节阐述的是EDA技术，该节介绍了FPGA/CPLD、硬件描述语言Verilog和FPGA/CPLD开发常用工具。最后一节说的是PCB，该节从PCB设计原则、抗干扰处理及平时PCB设计经验方面，对PCB做了简单的叙述。第四章：系统的硬件设计。本章主要通过电路原理图来说明系统硬件电路的设计。这一章虽然语言文字不多，但它是系统设计的一个非常重要部分。第五章：系统的软件设计。这一章从嵌入式软件和服务器端软件两个方面，具体阐述了超声波定位的实现方法。第六章： 总结与展望部分。该章节虽然最短，但是它是系统设计的精华。本章指明了本系统的创新点，系统调试过程中遇到的问题及解决方法和需要改进之处。附录部分：在附录部分给出了CPLD内嵌程序的整体架构，硬件电路的PCB图。第二章 模型坦克定位系统整体设计2.1 系统整体架构模型坦克定位系统整体结构如图2-1所示。服务器通过IEEE802.11g无线局域网把来自输入设备手柄的控制指令传送给嵌入式无线设备服务器Wiport，嵌入式无线设备服务器Wiport解析指令并将其重新封装成串行数据格式，然后传给可编程控制器CPLD。CPLD解析指令并产生相应的控制信号。驱动超声波发射电路、无线射频编码芯片，从而实现40KHz超声波的发射、315M电磁波的发射。定位系统的接收端通过超再生检波电路解调出315M的高频信号，送往无线射频解码芯片；通过超声波接收振子接收超声波。将高频信号和超声波送往可编程逻辑器件CPLD，通过软件编程实现信号的处理、定时、回传。 图2-1 定位系统整体架构2.2系统功能设计模型坦克定位系统融合了网路技术、与GPS定位系统原理相同的超声波定位技术，通过网络实现对运动模型坦克的遥控及实时定位，突破了传统遥控玩具的单一性，实现了信息的即时反馈和汇总。模型坦克即超声波发射端由嵌入式无线设备服务器Wiport、可编程逻辑器件CPLD、无线射频发射模块、超声波发射头组成。超声波接收端由嵌入式无线设备服务器Wiport、可编程逻辑器件CPLD、无线射频接收模块、超声波接收头组成。服务器用于发送模型坦克控制指令，控制模型坦克在模拟战场中的运动和定位信号的发送。无线接入点用于搭建无线局域网，是模型坦克和服务器之间的指令和信息传输中转站。模型坦克与服务器之间采用IEEE802.11g无线网络连接，其网络拓扑结构采用星型网络结构。2.3 模型坦克超声波定位在T1时刻，服务器发出模型坦克发射315M电磁波的命令，由于EM信号是以光速传播的，其传播时间可以忽略，但无线射频编解码芯片的编解码需要一定的时间，经验证超声波的发射比高频信号的发射延时30.07ms可以保证测量数据的准确性。接收端接收到高频信号后立即启动计数器，并开始接收超声波信号，当超声波的首波被三个超声波接收头收到时计时停止，此时计数器的计数值即为超声波信号的传播延时，因此高频信号在整个定位方案中起到了时间基准的作用。假设三个超声波接收头收到的时间分别为t1、t2、t3。根据t1、t2、t3的值，即可计算出坦克模型1距三个参考点的距离A、B、C。最后把A、B、C带入公式（2-1）、（2-2）和（2-3）便可得出坦克模型的坐标，从而实现对坦克模型的定位。 公式（2-1） 公式（2-2） 公式（2-3）2.4 系统开发平台本系统的开发主要包括两个部分，第一部分是可编程控制器内嵌入式程序的设计，第二部分是硬件电路设计和PCB板的绘制。嵌入式程序完成指令接收/发射、解码/编码、驱动电机、计数、信号回传等功能。可编程控制器采用的是Altera公司的EPM7256 CPLD，编译下载环境是Quartus7.0，功能仿真和后仿真软件选择的是第三方软件公司Mentor Graphics公司的ModelSim SE 6.1F。硬件PCB设计环境选用的是Altium公司性能较为稳定的Protel 99SE。Protel 99SE的功能十分强大，集原理图设计、可编程逻辑器件的建立、电路混合信号仿真、印制电路板设计与布线、信号完整性检查以及设计规则分析等功能于一身，在电子电路设计领域占有及其重要的地位，是电路设计者的一款很实用的工具。天津大学仁爱学院2011届本科生毕业设计（论文）第三章 模型坦克定位系统相关原理3.1 无线局域网技术无线局域网是利用无线电波作为传输媒介实现快速接入以太网络的技术，是有线局域网的延伸。作为传统有线局域网的补充和扩展，无线局域网能使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决使用有线方式不易实现的网络连通问题。与有线局域网相比，WLAN具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等优点。从广义上讲，凡是采用无线传输的计算机局域网络都可称为无线局域网，具体而言，以无线电波、激光、红外线等来代替有线局域网中的部分或全部传输介质便构成了无线局域网；而从狭义上讲，无线局域网一般是指遵循IEEE802.11系列协议的无线技术网络。本系统采用的是IEEE802.11g标准的无线局域网。3.1.1 IEEE 802.11标准体系IEEE802.11标准体系，是IEEE委员会提出的无线局域网标准，主要包括IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE8201.11b和IEEE802.11g等。（1）IEEE802.11标准：1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11无线局域网标准工作组。工作组于1997年6月公布了IEEE802.11标准，它是第一代无线局域网标准之一。该标准定义了物理层和介质访问控制层规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。该标准工作在2.4GHz频段，支持1Mbps和2Mbps的数据传输速率。（2）IEEE802.11b：为了支持更高的数据传输速率，IEEE于1999年9月批准了IEEE 802.11b标准。IEEE802.11b标准对IEEE802.11标准进行了修改和补充，其中最重要的改进是在IEEE 802.11的基础上增加了两种更高的通信速率5.5Mbit/s和11Mbit/s。IEEE802.11b采用与有线等价的保密机制WEP（Wire Equivalent Privacy）来保证信息的安全性，IEEE802.11b的保密机制WEP采用了对称加密算法RC4，提供40bit长度的加密密钥。（3）IEEE802.11a：IEEE802.11a扩展了IEEE802.11标准的物理层，工作在5GHz，采用正交频分复用(OFDM)的多载波调制技术来传输数据。物理层速率可达54Mbps，传输层可达32Mbps。802.11a优势在于传输速率快54Mbps（最高达108Mbps，）受干扰少，但价格相对较高。（4）IEEE802.11g： IEEE802.11无线局域网工作小组于2001年11月15日又提出了新的IEEE802.11g标准。该标准与以前的802.11协议标准相比有一下两个特点：一是在2.4GHz频段使用正交频分复用调制技术OFDM，使数据传输速率提高到54Mbps；二是提供三个互不重叠的子信道，并且保留了802.11b所采用的CCK技术，同时采用了一个“保护”机制，使基于802.11g的无线接入点AP可与基于802.11b的无线网卡相关联，也可以使基于802.11g的无线网卡与基于8021.b的无线接入点AP相关联，即保证了向后兼容性。IEEE802.11g规定IEEE802.11为必备的执行模式，同时规定OFDM为必备的调制技术，在2.4G Hz频段提供IEEE802.11a的速率，并提供了可选模式CCK-OFDM和PBCC-22两种调制方式。3.1.2 无线局域网的拓扑结构 无线局域网的拓扑结构整体可分为两类：一个是自组网拓扑（Ad-Hoc，拉丁语），另一个是基础结构拓扑（Infrastructure）。Ad-Hoc网络的所有终端都是由无线客户端设备构成，不含有线网络连接，覆盖的服务区称为独立基本服务集（IBSS，Independent Basic Service Set）。IBSS至少包括两个无线站点，没有中继功能，一个移动终端要想和其他移动终端通信，必须处在能够直接通信的物理范围之内。对高服务质量（QoS）业务的传输，必须采用特别的路由控制技术。Ad-Hoc是最基本的IEEE802.11无线局域网。基础结构拓扑网络由无线接入点（AP）、无线工作站（STA）以及分布式系统（DSS）构成，其覆盖的区域分基本服务区（BSS，Basic Service Set）和扩展服务区（ESS，Extended Service Set）。无线接入点AP用于在无线工作站STA和有线网络之间接收、缓存和转发数据，所有的无线通讯都经过AP完成，所以也称为有中心拓扑结构。无线接入点AP通常能够覆盖几十至几百个用户，覆盖半径达上百米。AP可以连接到有线网络，实现无线网络和有线网络的互联。在Infrastructure 网络中，所有的客户端都通过AP相互通信。本设计采用的是带有一个AP的Infrastucture网。由于该AP没有连接有线网络，所以又称为独立型无线局域网。3.1.3 无线局域网的搭建本系统所搭建的无线局域网是由一台笔记本、一个AP、若干坦克模型和若干个接收端所组成的独立型无线局域网。笔记本通过自带的无线网卡连接到无线接入点AP，坦克模型和若干个接收端通过其上安装的嵌入式无线设备服务器Wiport接入无线局域网。无线接入点是整个网络的枢纽，由TP-LINK无线路由器充当。笔记本端无线网卡的配置比较简单，只需给无线网卡分配一个固定IP并保持其SSID的名称与AP的一致即可。因此该独立型无线局域网的搭建主要是无线接入点AP和嵌入式无线设备服务器的配置问题。3.2 超声波定位技术超声波一般是指振动频率高于20KHz的机械波，它具有定向性好、能量消耗小、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点, 它不受光线、被测物颜色等影响, 在恶劣工作环境下具有一定的适应能力。它具有许多独特的优点，在其被发现不久就得到了广泛的应用，并迅速发展成为一门新兴的边缘学科超声学。超声波测距的原理一般采用渡越时间法。其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质传播到接收器的时间（渡越时间t）。渡越时间与气体中的声速（v）相乘，就是声波传输的距离（S）。公式为： （公式3-1）在空气中，超声波的传输速度易受空气中的温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大。因此，计算距离时需要进行温度补偿。在已知环境温度T（单位：）的情况下，超声波速度计算公式为：（公式3-2）带入公式3-1得： （公式3-3）由公式3-3计算出的距离（S）可以精确到cm级。利用超声波检测往往比较迅速、方便，计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到实用的要求。本系统所用的超声波定位通过测量超声波发射器到超声波接收器的首波来测定发射器和接收器之间的距离。3.2.1 超声波定位原理本系统所用的超声波定位是模拟GPS定位系统原理，用超声波发射/接收头代替卫星的功能，具体思路如下。首先在游戏区内建立直角坐标系统，设定原点、X轴、Y轴和Z轴。在室内上空特定位置上设置6个参考点C1、C2、C3、C4、C5和C6。在上述参考点上，安装超声波接收头，在运动的坦克上安装超声波发射头。运动的模型坦克不断接收到来自服务器端的命令，解码驱动无线射频发射电路发射高频信号，作为整个定位系统的时间基准；驱动超声波发射探头发射40KHz超声波。参考点的布局使得在任何时刻，总有三个参考点的接收头会收到超声波，同时三个接收端的无线射频接收电路接收到315M高频信号，使计数器开始计时，经试验延时30.07ms之后开始接收超声波信号。设该三点的坐标分别为c1(x1，y1，z1)、c2(x2，y2，z2)、c3(x3，y3，z3)。由2.2节超声波定位可知，坦克模型到3个参考点的距离A、B、C，可由CPLD时钟计数来求得。令x、y、z 分别为坦克在该直角坐标系统中的坐标值，则公式（2-1）、（2-2）、（2-3）成立。根据公式公式（2-1）、（2-2）、（2-3），很容易求出坦克在该直角坐标系统中的坐标值x、y、z。坦克在不断运动，A、B、C值也在不断变化，坐标值x、y、z也在不断更新，从而实现了对坦克的实时定位。3.2.2 超声波定位算法定位算法是在定位网络的服务器端完成的，超声波的传播速度为如公式3-2所示。假定被定位模型坦克的三维坐标为(x,y,z)和至少有4个接收端不在同一平面上，则被定位模型坦克到接收端的距离为（m）（1i=4） (公式3-4)很明显式(公式3-4)是一组非线性超定方程， 可以用最小二乘法求被定位tank的三维坐标估计值 （公式3-5）可以证明： 只要每个接收端对 的测量误差是都满足N (O， )且相互独立，则式(3-5)的结果也是最大似然估计，随着n的增加，它也将是无偏估计。3.2.3 时分复用和多辆坦克定位系统时分复用借助“把时间帧划分成若干时隙和各路信号占有各自时隙”的方法来实现在同一信道上传输多路信号。本系统中若干辆坦克的定位信息的回传，采用时分复用的方式，其时隙图如图3-1所示。在时间轴上，所有坦克模型的一次轮询称为一帧，每辆坦克模型的一次定位称为一个时隙。为防止时隙间和帧间串扰，时隙与时隙之间有时隙间隔，帧与帧之间有帧间隔。、图3-1 坦克定位系统时隙图当一个时隙开始时，服务器向模型坦克发送控制指令，然后等待参考点的回传信号。一旦接收到回传信号，服务器就会根据超声波定位原理，计算出该模型坦克的坐标并显示结果，然后结束时隙。如果在规定时间内未接收到回传信号，服务器就会强行终止时隙，之后等待一个短暂的时隙间隔，然后开始下一个时隙。当10辆模型坦克都轮询完一遍，一帧结束。经过一个短暂的帧间隔之后开始下一帧。时间轮询不断循环进行，直到游戏结束。这样，服务器就可以实时监控模拟战场中的所有模型坦克了。3.3 房顶接收器安装参考点的选取3.3.1参考点位置的选取原则一个模型坦克（内设超声波发射端，位于地面）、三个不共线的参考点（内设超声波接收端，参考点位于模拟战场顶部）即构成一个定位系统的基本单元。整个定位系统可认为是由一个个基本单元组成的；超声波发射接收都是有一个辐射锥角的，我们选用的超声波探头发散锥角为90度。根据这些信息，我们建立一些数学模型，以合理布置参考点。为了研究方便，我们设定模型战场为平地，并将模拟战场高度记为（对于非平地的模拟战场，我们取顶部到最低端的距离为高度）。由于超声波接收探头的发散锥角为90度，我们根据该角度和高度，可以为任意一个参考点绘制图3-1，参考点将在地面投射下一个圆形“斑”，位于该“斑”中的模型坦克发射的超声波都能被参考点所接收。由此可知，该参考点可以覆盖的范围为该圆形“斑”。 图3-1 参考点的辐射范围据此，我们得到了参考点选取的一般原则：（1）根据战场情况，建立三维直角坐标系。（2）根据战场情况，试探性的布置参考点，并保证任意三个参考点的组合不会出现三点共线（保证定位方程组有解）。（3）令各个参考点在地面投射圆形“斑”图，使参考点的分布可以保证：在模拟战场的任何一个位置，都可以有至少三个参考点的“斑”图可以覆盖。（4）保证任意三个参考点组成的布点相关矩阵的条件数保持较小（小于50）。3.3.2参考点分布示例假设模拟战场是一块20m10m10m巨大室内场景，地面场景布置类似于沙盘，顶部安装有若干参考点。在20m10m10m的模拟战场内，取地面上的一个角作为坐标系的原点O(0, 0, 0)，地面上的两条边作为X轴和Y轴，垂直于地面的一边作为Z轴，构成立体直角坐标系。因此，在该坐标系中，坦克模型坐标（x，y，z）的取值范围是：，。参考点安装在z10m的平面上即房屋的顶部。根据超声波定位原理，坦克模型在任意位置发出的超声波信号，至少要有三个不共线的参考点能够接收到。经过试验，选用如图3-2所示的点作为参考点，它们的坐标分别为（7，5，10）、（2，2，10）、（2，8，10）、（13，5，10）、（18，2，10）、（18，8，10）（左上角为坐标原点，单位：m）。这样安放的参考点，坦克模型在任意位置发出的超声波信号，至少有三个参考点能够接收到。图3-2 参考点安装示意图超声波发射器以90的夹角竖直向上发射超声波信号，在房顶（参考点所在平面）形成一个半径为10m的圆。因此，只要证明任意位置的坦克模型在房顶产生的圆都能包含三个以上的参考点即可。在Z=10的平面内，分别以6个参考点为圆心，10m为半径画圆，将Z=10的房顶平面分割成13个区域，如图4-14所示。当坦克模型在A区活动，、号参考点可以感知；当坦克模型在B区活动，、号参考点可以感知；当坦克模型在C区活动，所有6个参考点都可以感知；当坦克模型在F区活动，、号参考点可以感知；当坦克模型在J区活动，、号参考点可以感知。根据模拟战场的对称性，很容易证明坦克模型在其它区域活动时，至少也有三个或三个以上的参考点能够感知。坦克模型在13个区活动时，与能感知的参考点对应关系如表3-1所示。综上，当参考点按如图3-2布置时，坦克模型在任意位置发出的超声波信号，都至少有三个不共线的参考点能够接收到。表3-1 坦克活动区与感知参考点对应关系表区域参考点参考点个数区域参考点参考点个数A1、2、33H1、2、3、4、65B1、2、3、44I1、3、4、5、65C1、2、3、4、5、66J1、2、43D1、4、5、64K1、4、53E4、5、63L1、3、43F1、2、3、4、55M1、4、63G1、2、4、5、653.4 EDA技术简介EDA技术是以计算机为工作平台，以相关的EDA开发软件为工具，以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，自动完成系统算法和电路设计，最终形成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。EDA技术研究的对象是电路或系统芯片设计的过程，可分为系统级、电路级和物理级三个层次。EDA技术充分利用硬件描述语言和EDA软件平台实现系统硬件功能，极大的提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。可以说EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性，是现代电子设计技术的核心。EDA技术主要具有以下几个特点：用软件的方式设计硬件；用EDA软件可自动完成硬件系统设计；设计过程中可根据需要完成各种仿真；系统可现场编程、在线升级；整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。EDA工程的设计方法主要有三种：（1）自顶向下的设计方法。（2）系统的可测性设计方法。（3）最优化设计方法。可编程逻辑器件的EDA工程设计流程一般由以下六部分组成：（1）源程序的输入、编辑和编译：首先利用EDA软件的文本编辑器或图形编辑器将设计用文本或图形方式表达出来，然后进行编译，变成HDL文件格式，为进一步的逻辑综合做准备。（2）逻辑综合和优化：逻辑综合过程就是将电路的高级语言描述转换成低级的，生成可与FPGA/CPLD或构成ASIC的门阵列基本结构相映射的网表文件。（3）逻辑适配：所谓逻辑适配就是将由综合器生成的网表文件，针对某一具体的可编程逻辑目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布线等操作，配置于指定的目标器件中，产生最终的下载文件。（4）目标器件的编程/下载：适配器把综合器生成的网表文件，配置于指定的目标器件后，生成下载文件。如果满足原设计要求，就可以将布局布线/适配器产生的配置/下载文件通过编程器或下载电缆载入目标FPGA或CPLD芯片中，通过自动优化和布局布线，实现系统设计功能。（5）设计过程中的相关仿真：设计过程中的相关仿真有行为仿真、功能仿真和时序仿真三种。行为仿真就是将HDL源代码直接送到HDL仿真器中所进行的仿真。该仿真只是根据HDL的语义进行的，与具体电路无关。功能仿真验证系统设计功能的正确性。时序仿真验证则必须是系统设计经过综合编译和门级布局布线之后，针对硬件的检验和验证，与门的传输时间有关。（6）硬件仿真/硬件测试：硬件仿真是指通过相应的外部电路和设备进行仿真的过程。通过硬件系统对其进行测试，以进一步检测其正确性的过程称为硬件测试。3.4.1 FPGA/CPLD可编程逻辑器件是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。目前常用的可编程逻辑器件主要有简单的逻辑阵列（PAL/GAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）等三大类。FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用SRAM工艺，也有一些专用器件采用Flash工艺或反熔丝工艺等。FPGA的基本组成部分有可编程I/O单元，基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。它的集成度很高，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。CPLD和FPGA的主要区别如下：（1）CPLD的连续式布线结构决定了其延时是均匀的和可预测的；而FPGA的分段式布线结构决定了其延时的不可预测性。（2）在编程方式上，CPLD主要是基于EEPROM或Flash ROM编程，可分为在编程器编程和在系统编程两类，编程次数可达上万次，优点是系统掉电时编程信息也不丢失；FPGA大部分是基于SRAM编程，编程信息在系统掉电时丢失，每次上电时需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以任意次编程，实现电路板级和系统级设计。 （3）CPLD比FPGA使用方便。CPLD的编程采用EEPROM或FastFlash技术，无需外部存储器，使用简单；而FPGA的编程信息需存储在外部存储器上，使用较复杂。（4）CPLD的速度比FPGA快，且具有较大的时间可预测性。因为FPGA是门级编程且CLB之间采用分布式互连，而CPLD是逻辑块级编程且其逻辑块之间的互连是集总式的。（5）CPLD保密性好，而FPGA保密性较差。（6）CPLD可让设备做出调整，支持多种协议和标准，并能随着协议和标准的改变而改变功能，CPLD适用于通信等协议多且变化大的领域。（7）CPLD是组合逻辑密集型的器件，触发器资源较少，多用于实现组合逻辑；而FPGA是触发器密集型器件，更适合实现时序逻辑电路。本系统中模型坦克内部用于解析控制指令、发送控制信号；接收端内部用于解析控制信号、首波检测、计数、回传状态信息的可编程逻辑器件选用的是ALTERA 公司的CPLD EPM7256。CPLD/FPGA开发流程既是自顶向下设计方法的具体实施途径，也是EDA工具软件本身的组成结构。基于EDA软件的FPGA/CPLD开发流程框图如图3-3所示。图3-3 完整的FPGA/CPLD设计流程3.4.2 硬件描述语言Verilog硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。它可以使数字逻辑电路设计者利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用EDA工具进行仿真，自动综合到门级电路，再利用ASIC或FPGA/CPLD实现其具体功能。与传统的电路图设计方法相比，用硬件描述语言进行电路设计有以下优点：（1）可以在较高的抽象层次描述设计。这种设计方法不仅提高了设计人员的效率，而且设计与工艺无关。（2）可以在设计阶段进行功能验证，这样可以极大地缩短设计周期，节约设计成本。（3）设计用文本的方式表示，简单高效，可以对设计添加注释，易于开发、调试和维护。目前最为流行的硬件描述语言有Verilog HDL和VHDL两种。Verilog HDL 和VHDL作为描述硬件电路的语言，其共同特点在于：能形式化地抽象表示电路的行为和结构；支持逻辑设计中层次与范围的描述；硬件描述与实现工艺无关；便于文档管理；易于理解和设计重用。 但是与VHDL相比，Verilog HDL又有如下一些优点：（1）语法与C语言类似，易学易用。（2）Verilog语言支持广泛，基本上所有流行的综合器、仿真器都支持Verilog。（3）同一个设计中，Verilog语言允许设计者在不同层次上进行抽象。Verilog语言中提供开关级、门级、RTL级和行为级的支持，一个设计可以先用行为级语法描述它的算法，仿真通过后，再用RTL级描述，得到可综合的代码。（4）所有的后端生产厂商都提供Verilog的库支持，这样在制造芯片时，可以有更多选择。（5）能够描述层次设计，可使用模块实例结构描述任何层次，模块的规模可以使任意的，Verilog语言对此没有任何限制。图3-4 具体模块Verilog设计流程随着现代集成电路制造工艺的改进，一块芯片上能集成数十万乃至数千万个器件，一个设计师很难完成如此大规模的电路而不出现错误。对于一个完成的硬件设计，首先采取自顶向下、层次化、结构化的设计方法，由总设计师划分成若干个可操作的具体模块，然后把这些模块分配给具体的工程师，这样许多个设计者就能共同完成一个大的硬件系统24。一个具体模块的设计主要由两部分构成，其流程如图3-4所示。（1）设计开发：从编写设计文件到综合布局布线再到投片生产。（2）设计验证：进行各种仿真，验证设计的正确性，如果在仿真过程中发现问题就返回设计输入进行修改。3.4.3 常见FPGA/CPLD开发工具在FPGA/CPLD设计过程中用到的主要设计工具有仿真器、综合器、布局布线器等。下面介绍本系统设计过程中所要到仿真工具Modelsim和Altera公司的集成开发工具Quartus。Mentor Graphics子公司Model Technology生产的Modelsim是当今使用最为广泛的FPGA/CPLD仿真器之一。Modelsim功能强大，支持FPGA/CPLD设计的各阶段仿真（包括功能仿真、门级仿真、时序仿真）。Modelsim拥有单一内核支持Verilog、VHDL、System Verilog、System C等多种语言的能力，并且支持这些语言的混合仿真。除此之外Modelsim还可以用于程序调试、代码覆盖率检查、波形比较等。ModelSim的特点是具有强大的调试功能：通过利用数据流窗口，可以徐苏追踪到产生不定或错误状态的原因；性能分析工具帮助分析性能瓶颈，加速仿真；代码覆盖率检查确保测试的完备；多种模式的波形比较功能，先进的Signal Spy功能，可以方便的访问VHDL或VHDL和Verilog HDL混合设计中的底层信号；支持加密IP；可以实现与Matlab的联合仿真。综合优化是指将HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门，RAM，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接，并根据目标和约束条件优化生成的逻辑连接，输出edf和edn等标准格式的网表文件，供FPGA/CPLD厂家的布局布线器进行实现。用不同的综合工具对同一段代码综合，由于综合算法或综合策略不同，可能得到不能的结果。Quartus是Altera公司提供的多平台软件，在集成的设计环境下提供了丰富的综合、优化和验证工具。具有图形，文本两种编辑方法，支持AHDL, VHDL, Verilog HDL等语言。可进行时序分析，功能仿真和波形分析以及器件编程和效验。支持管脚分配编辑，具备强大的逻辑综合能力。Quartus11设计软件通过PowerFit适配技术和LogicLock增强技术提高了设计的效率，支持百万门级的设计，并且为第三方工具提供了无缝接口。Quartus 11软件的编译器是系统的核心部位，它具有功能强大的设计处理能力。设计者可以添加特定的约束条件来提高硅片的利用率。自动的错误定位和完备的错误和警告信息文档使得设计修改变的简单。在设计流程的每一步，Quartus I软件使得设计者可以将注意力放在设计上而不是如何使用软件1391。更为方便的是，Quartus I软件内带基SignalTapll的逻辑分析仪，使得使用者可以方便、有效的检查设计中存在的问题。本系统综合器和布局布线工具选用的都是软件Quartus。3.5 PCB技术3.5.1 用PROTEL99SE制作PCB的基本流程：（1）设计原理图：利用原理图设计工具绘制原理图，并生成相应的网络表。生成网络表时通常将元件悬空的引脚接到地或保护地，还要将原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的元件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，否则在生成网络表时将出现错误。（2）利用封装制作向导设计封装库中没有的非标准元器件的封装。（3）PCB绘制前期准备：首先设置PCB设计环境，设置网格的大小和类型、光标类型、版层参数、布线参数等。大多数参数都可以采用系统默认值。其次是规划电路板的机械尺寸参数，确定电路板的尺寸大小，在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。（4）加载网络表文件：网络表是PCB自动布线的关键，也是原理图设计与PCB板的接口，只有将所有的网络表装入后，才能进行电路板的布线。在加载网络表前要先打开所有要用到的PCB库文件，然后根据提示，修改错误直至无错误提示为止。（5）合理布置元件的位置：元器件布局需要从机械结构、散热、电磁干扰及布线的方便性等多方面进行综合考虑。元器件布局的一般原则是先放置与机械尺寸紧密相关的器件并锁定这些器件，然后放置体积较大的器件和电路的核心元器件，最后放置剩余的器件。要尽可能使元件的布局和原理图设计中的一致。根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：1）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易。4）位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200mm150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能挨得太近，输入和输出元件应尽量放远些。2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引起意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。3）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。热敏元件应远离发热元件。4）应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。总之，元器件的放置应做到各元器件排列要均匀、合理，整体感觉要整齐、美观，结构要紧凑。（6）布线规则设置：布线规则规定了布线的各个规范(例如使用层面、线宽、过孔间距、布线的拓扑结构等部分规则)。布线规则设置是印刷电路板设计的关键之一，需要丰富的实践经验。1)安全间距安全间距规定了板上不同网络的走线、焊盘、过孔等之间必须保持的距离。通常情况下设为0.254mm，密度小的电路板可设为0.3mm，密度大的或电路板上贴片数目较多时可设为0.20.22mm，安全间距不得小于O.1mm。本设计中安全间距设置为7mi1（0.1778mm）。2)过孔属性过孔属性规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，参数有最小值、最大值和首选值，其中首选值优先使用。3)线宽线宽规定了手工和自动布线时走线的宽度。整板范围的首选项一般设置为0.20.6mm，还需添加特殊网络或网络组的线宽设置，如地线、+5V电源线、功率输出线和电源组等。地线宽度一般可选lmm，各种电源线宽度一般可选0.5lmm，PCB上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1A的电流。其中整个电路板的线宽约束的优先级低于网络和网络组等的线宽约束条件。（7）自动布线和手工调整：自动布线完成后，总会存在一些缺陷，所以在自动布线之后，应该用手工方式来修改存在问题的走线。要加粗地线、电源线、功率输出线等电流较的线；对于某几根拐弯太多的线要修改，减小其走线长度；消除部分不必要的过孔；还要调整疏密不均的线；移动严重影响多数走线的导线，这种情况很常见，由于一根导线的位置设置的不好，将影响周围多根导线的走线和位置。（8）放置覆铜区：敷铜的主要作用是提高电路板的抗干扰能力，大面积实体敷铜在高速电路中将使能耗快速释放，小网格能让表面感生电流相互抵消。其连接方式有3种:辐射连接 (ReliefConnect)这种方式焊盘和敷铜区通过几根细导线连接。这样做有利于敷铜区和焊盘间传热慢，焊接时不会因为敷铜区域散热太快导致焊盘和焊锡之间无法良好的融合。直接连接(DirectConnect)这种方式可以使焊盘和敷铜区域之间的阻值比较小，但是焊接时比较麻烦。不连接 (NoConnect) 这种方式一般不用。（本设计对地线大面积覆铜，采用辐射连接方式，导线宽度取0.2rnm.4 根导线、45度，采用圆弧形方式包围焊盘。由于FPGA的面积较大，核电压、1/O端口电压和地线成对出现，且数目众多，所以对FPGA区域的电源线和地线均覆铜，以提高信号的抗干扰性。）最后需要检查PCB图里的电气联系是否和原理图所给出的一致，所有的布线是否严格遵守布线规则。3.5.2 PCB布线在电路板设计制作是一个复杂的过程，在这个过程中布线是完成设计的重要步骤，PCB布线的好坏将直接影响到整个系统的性能，而且布线的设计过程技巧多、工作量大。所以布线是整个设计的关键。PCB布线有单层板布线、双面板布线及多层板布线。使用最多的是双面板布线。布线时要注意输入端与输出端的连线，为了避免产生反射干扰，输入、输出端的连线应避免相邻平行，必要时还需加地线隔离。两个相邻层的布线为了避免连线平行所产生的寄生耦合要尽可能采用垂直走线。在本设计中，主要采用了下面的方法: 采用自动布线和手工布线相结合的方法。首先用手工布线将地线和电源线布通，而且线宽尽可能宽。使得地线、电源线、信号线的线宽满足以下关系:地线电源线信号线。 对一些有特殊要求的元件如晶振，所有信号走线应远离晶振电路。所有连到晶振输入、输出端的走线尽量短，以减少噪声干扰、分布电容对晶振的影响。 在集成电路的电源管脚上加去耦电容。PCB电路板抗干扰措施主要有如下几种。（1）电源线设计根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。（2）地线设计地线设计的原则是：1）数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。2）接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在23mm以上。3）接地线构成闭环路。尤其数字电路组成的印制板，其接地电路布成闭环路可以大大提高电路板抗噪声能力。（3）退耦电容配置PCB设计中防止干扰的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退耦电容。退耦电容的一般配置原则是：1）电源输入端跨接10100uF的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。2）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片布置一个110pF的电容。3）对于抗噪能力弱、关断时电流变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容。天津大学仁爱学院2011届本科生毕业设计（论文）第四章 系统硬件设计硬件电路是整个系统的骨骼，是软件运行的平台。本系统的硬件电路设计主要可分为电源设计、可编程逻辑器件CPLD设计、直流电机驱动电路设计、315M电磁波收发驱动电路设计、超声波收发驱动电路设计等。PCB图见附录2。4.1 电源系统由于本系统中CPLD和嵌入式无线设备服务器所需要的电压是3.3V，315M电磁波发射电路和接收电路的驱动电压分别是9.6V、5V，超声波发射电路和接收电路的驱动电压分别是9.6V、5V，直流电机的驱动电压为9.6V。所以，如果使用一个电源，通过电压转换器件，产生3.3V、5V和 9.6V的电压，无用的功耗太高。故采取双电源供电，一个用于驱动315M电磁波接收电路和超声波接收电路的5.0V电源，一个用于驱动直流电机、315M电磁波发射电路和超声波发射电路的9.6V电源。CPLD和嵌入式无线设备服务器所需的