基于CPLD的等精度数字频率计开题报告.doc

电气与信息学院毕业设计（论文）开题报告基于CPLD的等精度数字频率计设计 张香林 电子0443 张学敏 * 题目名称：报 告 人：专业班级：指导教师：基于CPLD的等精度数字频率计设计开题报告一、课题的目的和意义1、研究目的建立基于CPLD数字频率计的模型、选择适宜的测量策略和显示方法，用MAX+PLUS工具在计算机上实现数字频率计系统的仿真控制，并对频率计进行仿真训练。获取开发经验，为更进一步的研究、开发数字频率计奠定良好的基础。采用当今电子设计领域流行的EDA技术，以CPLD为核心，配合AT89C51单片机，采用多周期同步测频原理，实现0.1HZ-50MHZ信号频率的等精度频率测量。不但大大缩短开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、测频范围宽、精度高等优点。2、研究意义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设计技术。目前数字系统的设计可以直接面向用户需求，根据系统的行为和功能要求，自伤而下的逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。这样可以大大缩短系统的设计周期，以适应当今品种多、批量小的电子市场的需求，提高产品的竞争能力。电子设计自动化（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领域的一个重要课题。CPLD是一种新兴的高密度大规模可编程逻辑器件，它具有门陈列的高密度和PLD器件的灵活性和易用性，目前已成为一类主要的可编程器件。可编程器件的最大特点是可通过软件编程对其器件的结构和工作方式进行重构，能随时进行设计调整而满足产品升级。使得硬件的设计可以如软件设计一样方便快速， 改变了传统数字系统及用单片机构成的数字系统的设计方法、设计过程及设计概念，使电子设计的技术操作和系统构成在整体上发生了质的飞跃。数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL语言。将使整个系统大大简化。提高整体的性能和可靠性。二、文献综述 电子测量技术中，频率测量作为基本的测量之一。工程中很多测量，如用振荡式方式测量、时间测量、速度测量、速度控制等，都涉及到频率测量，或可归结为频率测量。频率测量作为一种最基本的物理量，其测量问题等同于时间测量问题。因此频率测量的意义更加明显。 随着科学技术与计算机应用的不断发展，以单片机作为核心的测量控制系统层出不穷。在被测信号中，较多的是模拟和数字开关信号，此外还经常遇到以频率为参数的测量信号，例如流量、转速、晶体压力传感器以及经过参变量频率转换后的信号等等。对于这些以频率为参数的被测信号，通常多采用的是测频法或测周法。即当被测信号频率较高时采用测频法，当被测信号频率较低时则采用测周法。对于频率变化较小的被测信号, 采用测频或测周法的效果很满意, 但当被测信号频率变化范围较大时, 比如100Hz-100kHz，采用上述方法就很难满足在整个频率变化范围内都达到所要求的测量精度。由此可见, 测频法或测周法只能对频率范围的两头频率实现较高精度的测量，而对于中间频率或变化范围较大的频率, 不能同时都达到较高的测量精度。如果要求只使用一种测量方法而对频率变化范围较大的信号都能达到同样的精度，就只能采用等精度频率测量技术。 直接测频法是通过测量标准闸门时间内待测信号的脉冲数而计算出待测信号频率的，由于闸门时间通常不是待测信号周期的整数倍,因此存在最大1 的待测信号脉冲误差，只能在信号频率较高时采用；测周法是通过测量待测信号的周期并求其倒数而求得其频率的，在待测信号的一个周期内也存在最大1 的标准信号脉冲误差，只能在信号频率较低时采用。这两种频率测量方法都存在局限性,并难以实现宽频带、高精度测量。 有别于直接测频和测周法，采用等精度测频方法，使整个测试频段内能够保持精度不变。等精度频率测量的最大特点是：在整个被测频率范围内都能达到相同的测量精度，而与被测信号频率无关。虽然它的测量控制相对比较复杂，但如果在单片机控制测量系统中合理使用中断、定时计数器，以及正确准时读出计数器的值，那么句可以在不增加控制器件的情况下实现较高精度的等精度频率测量。等精度测频的方法是：采用频率准确的高频信号作为标准频率信号，保证测量的闸门时间为被测信号的整数倍，并在闸门时间内同时对标准信号脉冲和被测信号脉冲进行计数，实现整个频率测量范围内的测量精度相等,当标准信号频率很高，闸门时间足够长时，可实现高精度的频率测量。三、研究（设计）内容和拟解决的关键问题1、研究内容（1）研究基于CPLD可编程器件的开发技术、原理和开发步骤。（2）建立基于MAX+PLUS和VHDL的自顶向下、模块化的数字系统开发。（3）设计等精度数字频率计，采用当今电子领域流行的EDA技术，以CPLD为核心，配合AT89C51单片机。2、研究途径收集资料和文献，系统学习EDA技术和CPLD可编程器件，本课题的等精度数字频率计设计，以CPLD为核心，配合AT89C51单片机，运用VHDL语言编程，完成软件设计、编译、调试、仿真和下载。用单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描和控制数码管的显示输出。系统将单片机的控制灵活性及芯片的现场可编程性结合，不但大大缩短了研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、测频范围宽、精度高等优点。3、技术路线（1）为了达到等精度测频，采用频率准确的高频信号作为标准频率信号，保证测量的闸门时间为被测信号的整数倍，并在闸门时间内同时对标准频率脉冲进行计数，实现整个频率测量范围内的测量精度相等，当标准信号频率很高，闸门实际那足够长是，可实现等精度测频。（2）CPLD模块完成测试功能，测频率、周期、脉冲宽度和占空比。CPLD内设32位二进制计数器，对标准信号频率和被测信号频率进行计数。（3）以INTEL公司的8位高性能单片机AT89C51作为主控模块，完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出。硬件设计采用PROTEL99制作原理图，软件设计计划采用汇编语言编程，以有效提高软件开发和维护效率。4、拟解决的关键问题所要解决本课题的主要问题是：如何实现数字频率计的等精度测频；CPLD专用模块设计，实现测频率、周期、脉冲宽度和占空比；单片机测试控制及软件部分程序设计。四、研究（设计）方案与进度计划安排1、研究（设计）方案：从设计的要求看，设计中提出两个方案： 方案一：采用通用的51单片机AT89S51作为系统控制核心单元，以适当的软件和硬件资源完成以单片机为核心的等精度数字频率计的软引件设计及系统实现。完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出。由于51单片机自身的速度问题，测量的范围较小。在快速测量下，要保证高精度的测频，必须采用较高的标准信号；而单片机受本身的时钟频率和若干指令运算的限制，测频速度较慢，无法满足高速和高精度的测频要求。方案二：采用先进的EDA技术及自上而下的设计，把资源丰富、控制灵活及良好人机对话功能的AT89C51单片机和具有内部结构重组、现场可编程的CPLD芯片完美的相结合起来，实现等精度频率测量。由于CPLD具有连续连接结构，易于预测延时，使电路仿真会更加准确，且编程方便，速度快，集成度高，价格低，从而使周期大大缩短，产品性能价格比较高。CPLD芯片采用流行的VHDL语言编程，可以精确地控制测频计数闸门的开启和关闭，从而进一步提高了测量精度。基于此，本系统采用了方案二。2、进度计划安排阶 段起始日期终止日期进 度技术指标第一阶段2008.03.302008.4.18完成选题和资料收集，撰写开题报告全面丰富课题内容第二阶段2008.04.192006.05.4频率计设计仿真及训练符合精度要求第三阶段2008.05.52008.05.25完成硬件设计和软件编程设计合理机构化、模块化第四阶段2008.05.262008.06.21进行在线调试与仿真，撰写毕业论文实现频率测量第五阶段2008.06.222008.06.29细化论文，准备答辩详细全面，提交论文五、预期结果和创新成果所设计的数字频率计，测频范围为0.1HZ-60MHZ，可达到等精度测频。脉冲测试范围在0.1-1S内均能实现，测试精度可达到0.01us；占空比测试精度为1%-99%。该计数器可以在EDA实验箱上完成功能模拟并通过数码管显示。六、成文时间和提交成果形式2007年6月22日完成论文“基于CPLD的等精度数字频率计设计”。提交成果：开题报告、设计论文、系统电路原理图、有关设计的英文翻译、毕业设计手册。七、参考文献目录 1 潘松.VHDL使用教程.成都：电子科技大学出版社.2000 2 武卫华,陈德宏. 基于EDA技术的数字频率计芯片化的实现J电测与仪表, 2004,(04). 3 徐成 ,刘彦 ,李仁发 ,甘勇. 一种全同步数字频率测量方法的研究J电子技术应用, 2004,(07). 4 章军,张平,于刚. 多周期同步测频测量精度的提高J电测与仪表, 2003,(06). 5 汪金爱 ,刘达. EDA技术与FPGA设计应用J今日电子, 2004,(12). 6 吴超英. 基于CPLD/FPGA技术的数字系统设计J安徽工业大学学报, 2003,(01). 7 严颂庄,王祝盈,陈小林,谢中,彭正良. 影响相检式多周期同步测频法测量精度因数的研究J湖南大学学报(自然科学版), 2003,(S1). 8 刘夫江.基于单片机和CPLD的等精度数字频率计设计D. 山东大学,20079 张永艳. 基于复杂可编程逻辑器件及用VHDL语言编程的数字频率计的设计D. 内蒙古大学, 200410 金琳. 基