设计基于fpga电机转速测速系统设计

基于FPGA的电机转速测速系统设计

摘要

在现代工农业生产和日常工作生活中对机器设备的各方面要求越来越高温度控制 电机测速等都是工农业生产中经常遇到的问题。我们之所以研究基于FPGA的电机转速测速系统那是迫于时代发展的需要。随着科技的发展我们发现当我们在对运动物体的速度量进行测量时由于器件选择不当产生了误差,从而直接或间接地影响了测量结果的精度这就满足不了生产和生活的需要。于是我们提出一种使用增量式光电编码器对运动物体速度进行测量的方法,避免了上述误差的产生,节约了成本而且实现简单,理论上可以达到更高的精度。

基于FPGA的速度测量系统设计,以Quartus Ⅱ为软件平台,采用模块化设计并通过数码管驱动电路静态显示最终结果。具有外围电路少,集成度高,可靠性强等特点。

接下来本文详细的研究了对增量式光电编码器脉冲信号进行倍频、鉴向、计数器分频、锁存、运算、数据位选择和显示。首先介绍了FPGA的国内外研究现状光电编码器的原理、 FPGA的发展史、它的设计方法 它的原理与特点可编程逻辑器件的基本设计思想一般性可编程逻辑设计的理论光电耦合器以及数码管显示其次针对以往设计的不足采用了以高度集成的FPGA芯片为核心的设计方式来实现增量式光电编码器输出信号的处理。编码器输出的数据在FPGA芯片中进行倍频、鉴相、计数、锁存、运算、数据位选择等传输处理最后所得的数据经数码管显示。

关键词 FPGA光电编码器VHDL语言电机

Design of Motor Rotational Speed

Measuring System based on FPGA

Abstract

In modern industrial and agricultural production and dai ly l ife in al l aspects ofthe machinery and equipment have become increasingly demanding, temperaturecontrol ,motor speed and other industrial and agricultural production are oftenproblems The reason why we study motor speed FPGA-based system, it is forcedto the needs of the times As technology develops,we found that when we are onthe moving object's velocity measured amount of choice when the device isimproper because the error produced, thereby directly or indirectly affect theaccuracy of the measurement This can not meet the needs of production and l ifeSo we propose a use of incremental optical encoder to measure the speed of themoving object method, to avoid these errors generate cost savings and simple, intheory, can achieve higher accuracy

The speed measurement system in the FPGA design to Quartus Ⅱ as thesoftware platform,modular design and digital control drive circuit through thedynamicdisplayof thefinal result With less peripheral circuit, high integration, highrel iabi l ityandsoon

Next, a detai led study of this incremental photoelectric encoder pulse signalmultipl ier, Kam-to, count, clock module, control , data selection and display First,the introduction of the FPGA current studies, introduced the development historyof optical encoder, FPGA development history, its design, its principles andcharacteristics;the basic programmable logic device design, and generalprogrammable logicdesign theory Second, for lessthan the previous design, usinga highly integrated FPGA chip as the core of the design approach to achieveincremental photoelectric encoder signal processing Encoder output data in theFPGA chip for frequency doubl ing, phase, counting, control , data transmissionchoice;at last, the data col lected bythe digital display

Keywords: FPGA; Photoelectrical Encoder;VHDL Language;motor

目 录

1引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1 .1 目的及意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1 .2研究现状及前景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

2 FPGA和器件介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2.1 FPGA概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2.1 .1 FPGA设计方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2.1 .2 FPGA原理及特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2.1 .3 FPGA的设计流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2.1 .4VHDL代码基本结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2.2光电编码器简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.2.1光电编码器的工作模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.2.2光电编码器的分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.2.3光电编码器的工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

2.3光电耦合器简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

2.4七段数码管简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3系统开发工具. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

3.1 QuartusⅡ7.2简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1

3.2软件的运行环境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1

4电机转速测量原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

4.1数字测量方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

4.1 .1M法测速. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

4.1 .2 T法测速. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

4.1 .3M/T法测速. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

4.2三种测速方法的精度指标. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

4.2.1分辨率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

4.2.2测速误差率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

4.3测速方法的比较和选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

5系统总体设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

5.1系统总体结构图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

5.2总体设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

5.2.1系统主要模块的划分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

5.2.2各个模块的功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

6系统详细设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

6.1详细功能设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

6.1 .1系统详细结构设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

6.2系统层次结构设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

6.2.1倍频、鉴向模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

6.2.2计数模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

6.2.3时钟模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

6.2.4锁存模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

6.2.5运算模块仿真图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

6.2.6译码模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

6.3整体模块设计(仿真图). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

6.4本章小节. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

7系统调试与运行. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

7.1系统测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

7.2结果分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

8总结与展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

8.1总结与展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

附录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

外文资料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

1引言

1.1 目的及意义

基于 FPGA电机转速系统是工业和农业以及日常生活中不可缺少的一个系统。它的开发引起了广泛的关注。转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数 它是电机极为重要的一个状态参数。转速检测的快速性和精度将直接影响系统的效果和动静态性能 如何提高测量精度 如何减轻工作人员的工作负担如何采取有效措施减少经济损失 如何保障工农业顺利进行等问题迫在眉睫。 因此 电机测速系统的研究与实现就具有了十分重要的意义这个系统采用 FPGA芯片光电编码器光电耦合器数码管等技术相结合提高电机转速测量精度

[1] 有效杜绝测量不准确和误测等现象的发生。

电机转速测量系统可以应用于测量各种机械的转速如冰箱压缩机、空调压缩机以及其它发动机、电动机的转速测量也可用于电机转速的反馈以控制电机平稳运行和调速。

1.2研究现状及前景

目前国内外测量电机转速的方法很多按照不同的理论方法先后产 生过模拟测速法离心式转速表 、 同步测速法机械式或闪光式频闪测速仪 以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

传统的电机转速检测多采用测速发电机也有采用电磁式利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等 、电容式对高频振荡进行幅值调制或频率调制等还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式[2] 光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。

由于光电测量方法灵活多样可测参数众多一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等优点 加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电编码器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度高等优点具有广阔的应用前景。

以前人们经常习惯于用单片机、 PLC来开发电机转速测速系统[3]。随着科学技术的不断提高 FPGA日益成熟其强大的功能已被人们深刻认识。使用FPGA来开发电机转速测速系统具有无法比拟的优点。再加上光电编码器发展如此迅速十分具有诱惑力。于是此次毕设采用光电编码器作为载体 以FPGA为核心进行设计开发。这次的毕设我们主要是针对目前出现的测速系统进行改善和提高。

2 FPGA和器件介绍

2.1 FPGA概述

早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器 PROM 、紫外线可擦除只读存储器 EPROM和电可擦除只读存储器 EEPROM三种。 由于结构的限制 它们只能完成简单的数字逻辑功能[4] 。

随后 出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片 即可编程逻辑器件

 PLD Programmable Logic Device  它能够完成各种数字逻辑功能。而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述所以 PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。它的实现工艺有反熔丝技术、 EPROM技术和 EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列 它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成但是这两个平面的连接关系是可编程的。在PAL的基础上又发展了一种通用阵列逻辑 GAL  如GAL16V8 GAL22V10等。它采用了EEPROM工艺 实现了电可擦除、电可改写其输出结构是可编程的逻辑宏单元 因而它的设计具有很强的灵活性 至今仍有许多人使用。

随着数字电路应用越来越广泛传统通用的数字集成芯片已经难以满足系统的功能要求 而且随着系统复杂程度的提高所需通用集成电路的数量呈爆炸性增长使得电路的体积膨大可靠性难以保证。此外现代产品的生命周期都很短一个电路可能需要在很短的周期内做改动以满足新的功能需求对于采用通用的数字集成电路设计的电路系统来说即意味着重新设计和重新布线。

2.1.1 FPGA设计方法

FPGA的常用设计方法包括自顶向下 Top-down 和自下而上Down–top [5],[6] 。

所谓“自顶向下”设计方法简单说就是先上后下在功能级对产品设计进行

定义 并结合功能仿真技术 以确保设计的正确性在功能定义完成后 利用逻辑综合技术将功能描述转化成为某一具体结构芯片的网表文件输出给厂商的布局布线器进行布线。布局布线结果还可通过仿真器进行包括功能和时序后的验证可以保证布局布线所带来的门延时和线延时不影响设计的性能。 由于功能描述可以完全独立于芯片的结构在设计的初级阶段设计师可不受芯片结构的约束集中力量进行产品设计进而避免了传统设计方法带来的重新设计风险。大大缩短了设计周期其次设计的再利用得到保证。 目前的电子产品正向着规模化方向发展所谓的模块化就是对以往设计成果进行修改、组合和再利用产生全新的或派生设计。而“自顶向下”设计的功能描述可与芯片无关 因此可以同过EDA元件库的方式进行存档 以便将来重新利用。

设计规模大大提高简单的语言描述即可完成复杂的功能而不需要手工绘图。芯片选择灵活从而在设计规模、速度、芯片价格及系统性能要求等方面进行平衡选择最佳结果。 由于自顶向下设计方法的优越性所以目前大规模FPGA设计一般选择“自顶向下”的设计方法。

2.1.2 FPGA原理及特点

FPGA的基本特点主要有 [7] 

1)采用 FPGA设计 ASIC电路 用户不需要投片生产就能得到合用的芯片

2) FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样

3) FPGA内部有丰富的触发器和 I/O引脚

4) FPGA电路设计周期最短、开发费用最低、风险最小

5) FPGA采用高速CHMOS工艺 功耗低可以与 CMOS 、 TTL电平兼容。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的 因此 工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方式。加电时 FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程 RAM中 配置完成后FPGA进入工作状态。掉电后 FPGA恢复成白片 内部逻辑关系消失 因此FPGA能够反复使用。综合考虑使用FPGA的成本优越性是很明显的。第一使用 FPGA器件修改设计方便设计周期缩短使系统的研制开发费用降低第二FPGA器件可使印刷线路板面积和需要的插件减少从而使系统的制造费用降低第三使用FPGA器件能使系统的可靠性提高维修工作量小进而使系统的维修服务费用降低。总之使用FPGA器件进行系统设计能够节约成本。

2.1.3 FPGA的设计流程

一般来说完整的 FPGA设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证和下板调试等主要步骤[8] 。

编写本流程的目的是

1)在于规范整个设计流程 实现开发的合理性、一致性、高效性

2)形成风格良好和完整的文档

3)实现在FPGA不同厂家之间以及从FPGA到 asic的顺利移植

4)便于新员工快速掌握本部门FPGA的设计流程。其设计流程图如图2-1所示。

图2- 1 FPGA流程图

2.1.4VHDL代码基本结构

一段完整的VHDL代码包含库声明  Library 、实体 Entity 、结构体

 Architecture 、配置Configuration和包集合 Package 五部分。

1 库声明

库是经编译后的数据的集合 它存放包集合定义、实体定义、构造体定义和配置定义。库的功能类似于操作系统中的目录库中存放设计的数据。在VHDL语言中库的说明总是放在设计单元的最前面。这样在设计单元内的语句就可以使用库中的数据。 由此可见库的好处就在于使设计者可以共享已经编译过的设计结果。

在 VHDL语言中可以存在多个不同的库但是库和库之间是独立的。不能相互嵌套。 当前在 VHDL语言中存在的库大致可以分为两类一类是用户自行生成的 IP库可以汇集自身设计需要所开发的共用包集合和实体等。使用时要首先说明库名。另一类是PLD asic芯片制造商提供的库。比如常用的 74系列芯片、 rom rom控制器、 Counter计数器等标准模块。用户可以直接引用