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基于可编程逻辑器件的数据采集系统软件设计

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基于可编程逻辑器件的数据采集系统软件设计(毕业设计64页、20648字+图+程序)

摘要:本论文介绍了基于可编程逻辑器件的数据采集系统的软件设计与仿真,使用VHDL语言在ISE 6.0的环境下设计,通过Modelsim软件对程序模块进行功能仿真。软件模块的设计用VHDL语言输入与原理图输入相结合的混合输入的方法实现,设计的显示部分包括七段数码管驱动模块和显示输出控制模块,显示输出用扫描显示输出方式设计,内部系统由多种功能模块组成并以原理图的方式设计实现,包括加法计数模块、扫描显示模块、信号发生模块、数据处理模块等。本论文对各模块进行具体分析并介绍了从设计仿真到最后生成顶层原理图,并用Modelsim完成最终的整体功能的验证,用ISE 6.0平台综合总程序然后下载的全过程。

关键字:数据采集;VHDL;混合输入

 


The software Design of Data Acquisition System Based on programmable logic device

Abstract: This dissertation introduces the design and realization of data acquisition system which is based on programmable logic device. This program is designed in VHDL language on a platform which is named ISE 6.0, and is simulated on Modelsim. The models use a method of VHDL language associating with principle diagram to input. The display part of the design includes seven segment data pipe driving module and display module, the fashion of display use scan. The internal function of this design has many modules, includes counter module, scan and manifestation module, signal creation module, data processing module and etc. This dissertation analyses every module of the design, and introduces from simulation to creating principle diagram. The whole function is validated on Modelsim. The whole process of synthesis and downloading is completed on ISE 6.0.

Keywords:Data acquisition, VHDL, Hybrid input

 


目 录
第1章  绪  论 1
1.1  课题背景、目的和意义 1
1.1.1  课题的背景 1
1.1.2  课题的目的和意义 2
1.2  论文的内容安排 2
第2章  数据采集系统级设计 4
2.1  FPGA芯片特点分析 4
2.2  FPGA开发软件平台的选择 9
2.3  软件设计方法的选择 12
2.4  系统设计方案确定 13
第3章  功能模块的实现与仿真 16
3.1  数据处理部分的设计 17
3.1.1  A/D转换器控制模块 18
3.1.2  数据的分位处理 20
3.1.3  七段译码器模块 21
3.1.4  扫描显示控制模块 23
3.2  系统辅助调试功能设计 26
3.2.1  方波调试信号 26
3.2.2  三角波调试信号 27
3.2.3  阶梯波调试信号 29
3.2.4  锯齿波调试信号 30
3.2.5  辅助信号输出控制 32
3.2.6  分频器设计 33
第4章  顶层原理图的设计 35
4.1  数据处理模块的顶层原理图 35
4.2  系统辅助测试模块顶层原理图 36
4.3  数据采集系统顶层原理图 37
第5章  软件下载调试 38
5.1  系统顶层综合 38
5.2  系统引脚锁定 38
5.3  系统实现过程及布局布线后仿真 39
5.4  使用IMPACT进行下载配置 40
结  论 41
致  谢 42
参考文献 43
附录1 数据处理程序 44
附录2 辅助测试功能模块程序 50
附录3 辅助测试模块功能仿真 57
附录4 系统顶层原理图功能仿真 58
 
第1章 绪  论
1.1  课题背景、目的和意义
1.1.1  课题的背景
数据采集技术(Data acquisition)是信息科学的一个重要分支,它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业.在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域,都存在着数据的测量与控制问题.将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度等模拟量转换为数字信号(Data signal),再收集到计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录这一过程,即称为“数据采集”.相应的系统即为数据采集系统。
数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用。
随着计算机技术的发展与普及,数字设备正越来越多地取代模拟设备,在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中,计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。然而,外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的,例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理,就必须先将这些连续的物理量离散化,并进行星化编码,从而变成数字量,这个过程就是数据采集。它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中.取得原始数据的主要手段。
数据采集就是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(可以是物理量,也可以是化学量、生物量等)通过各种传感元件做适当转换后,再经信号调理、采样、量化、编码、传感等步骤,最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。控制器一般均由计算机承担.所以说计算机是数据采集系统的核心,它对整个系统进行控制,并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统(Data Acquisition System,DAS)。
现代数据采集系统的主要特点:
(1) 现代数据采集系统一般都由计算机控制,使得数据采集的质量和效率等大,
提高,也节省了硬件投资。
(2) 软件在数据采集系统的作用越来越大,这增加了系统设计的灵活性。
(3) 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密,形成数据采集与处理系统采集、
处理到控制的全部工作。
(4) 数据采集过程一般都具有“实时”特性,实时的标准是能满足实际需要
采集系统一般希望有尽可能高的速度,以满足更多的应用环境。
(5) 随着电子技术的发展,电路集成度的提高,数据采集系统的体积越来越小,
可靠性越来越高,出现了单片数据采集系统,可编程逻辑器件简称PLD,是新一代的数字器件。它不仅具有很高的速度和可靠性.而且具有用户可重复定义的逻辑功能即具有可重复编程的特点。因此,可编程逻辑器件使数字电路系统的设计非常灵活,并且大大缩短了系统研制的周期。缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的品种。在数据采集领域也有了极高的应用。
1.1.2  课题的目的和意义
数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁,是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分。已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域,并且随着科学技术的发展,尤其是计算机技术的发展与普及,数据采集技术特有广阔的发展前景。
数据采集系统追求的最主要目标有两个:一是精度,二是速度。对任何量的测试都要有一定的精确度要求,否则将失去测试的意义;提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率,更主要的是扩大数据采集系统的适用范围,便于实现动态测试。
通过本次设计,可以让我了解可编程逻辑器件FPGA的基本结构和用途,了解用FPGA芯片做系统设计的方法,也可以通过对VHDL语言的学习,熟悉软件与硬件结合设计的方法,通过VHDL语言对基于FPGA的硬件系统的控制,实现基本的数据采集的功能。通过设计过程,我将掌握现代数字系统的设计理念和方法步骤。
1.2  论文的内容安排
本文研究的主要内容如下:
(1) 了解课题内容,查阅有关文献,了解FPGA结构、原理,熟悉FPGA技术,
设计基本原则,学习VHDL语言及ISE 6.0开发软件的用法。
(2) 了解数据采集系统的有关知识及项目要求,确定设计范围;整体上数据采集
系统分两部分,即软件部分和硬件部分。硬件部分的设计应能保证系统的整体性能,采用资源丰富的FPGA来实现。硬件部分主要完成对FPGA芯片的接口电路的设计,以及必要的电源驱动电路和满足项目要求的其它电路部分的设计。本文主要完成软件部分的设计。
(3) 本报告所涉及的设计内容,主要是对FPGA芯片的内部功能的控制和配置,
以满足信号采集系统的基本功能为前提,用VHDL硬件配置语言来编程,实现采集信号的处理,显示等功能,同时还有内部自检信号的设计。
(4) 论文其它部分还会对完成整个设计所需要的芯片做必要的功能介绍,因为软
件设计要用到ISE 6.0开发软件,所以开始还会对ISE 6.0开发软件做简单的介绍。
(5) 论文以软件设计为主要论述对象,按照整体设计思路,解释整个设计的实
现方法和路径,最后具体说明软、硬件结合调试的过程以及最终设计成果的功能。


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