房間電器綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、房間電器綜合控制系統(tǒng)Control system of the electrisic in the room摘要本設(shè)計(jì)的目的是尋找一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)多種電器的綜合控制，采用了單 片機(jī)與紅外遙控相結(jié)合的方式，制作出一種房間電器綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心 由 AT89S52 單片機(jī)和紅外收發(fā)裝置構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)包括發(fā)射部分和接收部分。 發(fā)射部分以 AT89S52 單片機(jī)為中心控制芯片，外圍擴(kuò)展了矩陣鍵盤(pán)，紅外發(fā)射 電路以及電源電路；接收部分則以 AT89S52 單片機(jī)為核心，外圍擴(kuò)展了紅外接 收電路，按鍵顯示電路，電源電路以及與按鍵相應(yīng)的繼電器控制家用電器電路。 紅外信號(hào)的發(fā)射采用脈沖個(gè)數(shù)編碼的方式

2、，根據(jù)不同的按鍵設(shè)定不同的編碼，通 過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)解碼，從而控制相應(yīng)電器的開(kāi)和關(guān)。通過(guò)硬件和軟件相結(jié)合的方式， 此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了手持遙控器，按下一個(gè)按鍵，相應(yīng)的電器接通電源開(kāi)始工作，并顯 示按鍵號(hào)碼，再按一下，該電器切斷電源停止工作。此設(shè)計(jì)具有操作碼個(gè)數(shù)可隨 意設(shè)定，編程靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)；紅外；編碼解碼ABSTRACTThe aid of this ariticle is to search a way toKey Words ：MCU;Inframed;目錄1 引言 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。1.1 智能家居的發(fā)展 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1.2 微處理器的功能及其應(yīng)用 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。1.

3、3 通信技術(shù)的發(fā)展及其前景 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。2 系統(tǒng)原理和部分方案比較 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。2.1 系統(tǒng)原理綜述 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。2.2 課題總體要求 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。2.3 系統(tǒng)各部分方案比較 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。2.3.1 控制方式比較 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。2.3.2 信號(hào)處理方案 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。2.3.3 微處理器的選擇 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.1 系統(tǒng)工作原理流程 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.2 系統(tǒng)主控制器選擇 123.2.1 單片機(jī)（ MCU ）概述 123.2.2 MCU 芯片簡(jiǎn)介及器件選擇 143.2.3 AT89S52

4、簡(jiǎn)單介紹說(shuō)明 153.3 信號(hào)的發(fā)射接收電路 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.3.1 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.3.2 紅外接收電路設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.4 遙控鍵盤(pán)電路 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.4.1 按鍵安裝方法 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.4.2 矩陣掃描 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.4.3 健功能 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.5 數(shù)碼顯示電路 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.5.1 驅(qū)動(dòng)電路 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.5.2 數(shù)字顯示電路 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.6 繼電器控制家電輸出電路 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.6.1 繼電器原理 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。3.6.2 控制電路 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)

5、簽。4 程序控制 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。4.1 系統(tǒng)軟件介紹 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。4.2 總程序流程 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。4.3 程序 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。4.4 系統(tǒng)整體電路圖 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。5 開(kāi)發(fā)環(huán)境及程序下載 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。5.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。5.2 程序下載 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。5.2.1 系統(tǒng)下載 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。5.2.2 外加軟件下載 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。6 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)記錄 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。6.1 軟件測(cè)試 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。6.1.1 功能仿真 126.2.2 146.2 硬件測(cè)試及仿真 126.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄 127 課題相關(guān)技術(shù)發(fā)

6、展前景 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽結(jié) 論 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽附錄 1： 程序 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽附錄 2 ： 系統(tǒng)電路圖 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽附錄 3 ： 系統(tǒng) PCB 圖 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽致 謝 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽1 引言當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)， 也是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。 而數(shù)字集成 電路本身也在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代， 不斷的進(jìn)步創(chuàng)新。 它由早期的電子管、 晶體 管、小中規(guī)模集成電路，發(fā)展到超大規(guī)模集成電路（ VLSIC ，幾萬(wàn)門(mén)以上）以及 具有許多特定功能的專(zhuān)用集成電路 （ASIC ）。并且在現(xiàn)代高新電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和 生產(chǎn)中，數(shù)字集成電路技術(shù)和現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)是相互促進(jìn)

7、、 相互推動(dòng)又相互制 約的兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。 前者的進(jìn)步就表現(xiàn)在大規(guī)模集成電路加工技術(shù)， 即半導(dǎo)體工 藝技術(shù)的發(fā)展上；而后者的核心則是 EDA （電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)，它使得設(shè) 計(jì)者的工作僅限于軟件的方式，即利用硬件描述語(yǔ)言（本文只涉及到 VHDL 硬 件描述語(yǔ)言）和 EDA 軟件來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)，避免了硬件電路在搭 接時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題。1.1 ASIC 技術(shù)促使可編程邏輯器件發(fā)展隨著微電子技術(shù)的發(fā)展， 設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已經(jīng)不再由某個(gè)大規(guī)模 的生產(chǎn)廠商來(lái)獨(dú)自承擔(dān)了， 更甚至于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們都愿意自己設(shè)計(jì)專(zhuān)用集成電路 （ASIC ）芯片，而且希望 ASIC 的設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在

8、實(shí)驗(yàn)室里就能 設(shè)計(jì)出合適的 ASIC 芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中。 也就是這種現(xiàn)場(chǎng)可用的 思想促成了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（ FPLD ）的出現(xiàn)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng) 可編程門(mén)陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD ）了 門(mén)20 對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在以前的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，設(shè)計(jì)某個(gè)電子控制系統(tǒng) 大多數(shù)情況下是用指令少、 功能單一的單片機(jī)， 但是用其開(kāi)發(fā)出來(lái)的硬件系統(tǒng)及 其電路結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜、 成本高、 經(jīng)常容易發(fā)生電路方面的故障， 并且由于系統(tǒng) 是針對(duì)某一個(gè)特定的功能而設(shè)計(jì)的，對(duì)今后系統(tǒng)的升級(jí)和功能擴(kuò)展都非常困難0 顯然這樣的單片機(jī)在某種程度上已經(jīng)不能再滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求了0而CPLD

9、 （或FPGA ）芯片作為一種新興的設(shè)計(jì)器件，在技術(shù)上與單片機(jī)相比有很多優(yōu)勢(shì)，光 說(shuō)其實(shí)現(xiàn)的工藝就有反熔絲技術(shù)、 EPROM 技術(shù)和 EEPROM 技術(shù)等0 實(shí)現(xiàn)了電 可擦除、電可改寫(xiě)和紫外線擦除， 其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元， 因而它的 設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性0這些 PLD 器件的一個(gè)共同特點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)速度特 性較好的邏輯功能，可見(jiàn)用這種 CPLD 芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，只需要增加少量 的外圍電路， 并結(jié)合可控制它的豐富的指令集合， 就可以獲得功能強(qiáng)大的控制系 統(tǒng)0又由于這種芯片內(nèi)含有可下載程序固定接口和 EEPROM 、Flash 0因此， 開(kāi)發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)具有可升級(jí)性 （內(nèi)部程序可擦除

10、，進(jìn)行重新燒寫(xiě) ），用戶(hù)可以根據(jù) 需要對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，既可以縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，又可以減少開(kāi)資0利用 EDA 技術(shù)（ CPLD/FPGA ）進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，是完成專(zhuān) 用集成電路 ASIC 的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，而在電子科技高速發(fā)展的當(dāng)今，再加上上述CPLD/FPGA （復(fù)雜可編程邏輯器件 / 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）的各種優(yōu)點(diǎn)，它以成 為實(shí)現(xiàn)這一途徑的主流器件。 其特點(diǎn)是直接面向用戶(hù)， 具有極大的靈活性和通用 性，使用方便，硬件測(cè)試和實(shí)現(xiàn)快捷，開(kāi)發(fā)效率高，成本低，上市時(shí)間短，技術(shù) 維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性能好。例如 Altera 公司最新生產(chǎn)的 MAXII 系列 PLD ， 這是一種基于 FPGA

11、（ LUT ）結(jié)構(gòu)，集成配置芯片的 PLD ，在本質(zhì)上它就是一 種在內(nèi)部集成了配置芯片的 FPGA ，但由于配置時(shí)間極短， 上電就可以工作， 所 以對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，感覺(jué)不到配置過(guò)程，可以與傳統(tǒng)的 PLD 一樣使用，加上容量和 傳統(tǒng) PLD 類(lèi)似，所以 Altera 公司把它歸作 PLD 。 還有像 Lattice 公司的 XP 系列 FPGA ，也是使用了同樣的原理， 將外部配置芯片集成到內(nèi)部， 在使用方法 上和 PLD 類(lèi)似，但是因?yàn)槿萘看?，性能和傳統(tǒng)與 FPGA 相同，也是 LUT 架構(gòu)， 所以 Lattice 仍把它歸為 FPGA 之列?？傊捎谝陨系母鞣N突出優(yōu)點(diǎn)， CPLD 或 FPGA

12、 芯片已成為大多數(shù)電子設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的首選器件。1.2 CPLD （FPGA ）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制把以CPLD （或FPGA ）芯片為核心，作為主控制器開(kāi)發(fā)出來(lái)的各種測(cè)量及 控制系統(tǒng)，作為家用電子產(chǎn)品的一個(gè)組成部分嵌入某個(gè)系統(tǒng)中， 使其更具智能化、 擁有更多功能， 便于人們操作和使用， 從而更具時(shí)代感， 這也是家用電子產(chǎn)品的 發(fā)展方向和趨勢(shì)所在。 有的家用電器領(lǐng)域要求增加顯示、 報(bào)警和自動(dòng)診斷等功能。 這就要求我們生產(chǎn)的產(chǎn)品具有自動(dòng)控制系統(tǒng)。 而所謂的自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)主要 是由計(jì)算機(jī)來(lái)完成的， 可用的方法主要有兩種： 離線控制和在線控制。 離線控制 包括利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)總體的分析、

13、 設(shè)計(jì)、仿真及建模等工作； 在線控 制就是以計(jì)算機(jī)代替常規(guī)的模擬或數(shù)字控制電路，使控制系統(tǒng)“軟化” ，讓計(jì)算 機(jī)位于其中， 并成為控制系統(tǒng)、 測(cè)試系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。 這類(lèi) 控制由于需要有像計(jì)算機(jī)一樣的智能控制系統(tǒng)身處其中， 因此對(duì)控制系統(tǒng)有體積 小、功耗低、價(jià)格低廉以及控制功能強(qiáng)大等要求，而為了滿(mǎn)足這些要求，就應(yīng)當(dāng) 使用可編程邏輯器件的具體芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如：本文所研究的課題就是利用 CPLD 器件（ EP1K100QC208-3 ）為主控芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能的。然而，由于 CPLD 與控制對(duì)象聯(lián)系密切， 所以設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)， 不但對(duì) CPLD 芯片的性能要求高，而且對(duì)設(shè)計(jì)者

14、的要求也很高。他們不但要熟練掌握 CPLD 知識(shí)，而且還要了解控制對(duì)象，懂得傳感器技術(shù)，具有一定的控制理論知識(shí)等。 還拿本文所研究的課題為例，除了利用 CPLD 具體芯片外，還用到了傳感器， A/D 轉(zhuǎn)換器以及放大顯示電路等，才實(shí)現(xiàn)完成了系統(tǒng)總體功能檢測(cè)室溫顯 示，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警。2 系統(tǒng)原理和部分方案比較一個(gè)完整的系統(tǒng)， 必須經(jīng)過(guò)系統(tǒng)整體原理分析和各部分的方案比較， 選擇最 佳最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)方法，才能完美而立于不敗之地。2.1 系統(tǒng)原理概述當(dāng)今社會(huì)， 隨著現(xiàn)代測(cè)量、 控制和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展， 信息采集的方法越來(lái) 越多，而在所有信息的采集途徑中，用的最普遍、最基礎(chǔ)的，就是傳感器。如果 把電子計(jì)算機(jī)比作

15、人的“大腦” ,那么傳感器則酷似人的“五官” （視覺(jué)、嗅覺(jué)、 味覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)）了。其重要性則可一目了然，不過(guò)對(duì)傳感器的要求可要比人 的五官的要求高得多， 并且傳感器的種類(lèi)也在日益增多， 涉及到的范圍也日益變 廣。如AD公司生產(chǎn)的模擬電壓輸出型的溫度傳感器 TMP35/36/37 ，它主要應(yīng) 用于環(huán)境控制系統(tǒng)、過(guò)熱保護(hù)、工業(yè)過(guò)程控制、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電源系統(tǒng)監(jiān)控以 及儀器散熱風(fēng)扇的控制等。還有NATIONAL SEMICONDUCTOR 生產(chǎn)的與微處 理器相結(jié)合的測(cè)溫及溫度控制、管理的溫度測(cè)量控制器 LM80 ，它主要應(yīng)用于個(gè) 人計(jì)算機(jī)及服務(wù)器的硬件及系統(tǒng)的溫度監(jiān)控、 辦公室設(shè)備、 電子測(cè)試設(shè)備

16、等。 以 及MAXIN公司生產(chǎn)的主要應(yīng)用于CPU冷卻控制的PWM風(fēng)扇控制器及遙控溫度 傳感器MAX1669。因此，測(cè)量外界溫度的方法有很多種，然而，由于熱敏電阻 及其放大電路受到環(huán)境的影響，在不同的條件下會(huì)出現(xiàn)不同的測(cè)溫偏差，而 TMP35/36/37， LM80 ， MAX1669 這些傳感器的造價(jià)又太高， 在相同條件下，由于測(cè)溫精度、 處理精度等多方面的因素， 不同的通道也會(huì)出現(xiàn)不同的偏差， 因 此必須采用一種靈活的修正方式，這便用到了電壓型的溫度傳感器 LM35D 。它 的線性好（10mV/ C），寬量程（0-100 C），精度高（+0.4 C ），低成本，而 且采集到的是電壓型信號(hào)，易

17、于處理，使得電路簡(jiǎn)單實(shí)用 3。如上所述，本課題的設(shè)計(jì)就是利用溫度傳感器 LM35D 來(lái)采集溫度信號(hào)的， 隨后將采集到的微弱模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器 OP07 放大十倍后送入 A/D 轉(zhuǎn)換 器（ ADC0804 ），將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再傳給 CPLD 芯片（這里用到的型 號(hào)是EP1K100QC208-3），即該系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（VHDL ）編程進(jìn)行信號(hào)處理， 然后經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置好的端口將數(shù)字信號(hào)傳送給 74LS138 譯 碼器以及驅(qū)動(dòng)器 CD4511 和報(bào)警器，使 LED 八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示室溫和實(shí)現(xiàn) 報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，用該方法對(duì)0 C -100 C范圍的溫度測(cè)量時(shí)，測(cè)量誤差為+

18、0.4 C,可靠性好、抗干擾性能強(qiáng)。采用CPLD芯片作為核心監(jiān)控器對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量，這樣，既可以降低對(duì)溫度傳感器和放大電路的要求， 從而降低成本， 又可以針對(duì)不同外部環(huán)境或不同通道對(duì)溫度顯示的顯示監(jiān)控設(shè)定進(jìn)行靈活修改， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)。2.2 課題總體要求（1）利用電壓型溫度傳 感器 LM35D 作為 信息采集器件采 集室 溫并產(chǎn)生10mv/ C的電壓信號(hào)；(2) 利用 OP07 放大器將微弱的電壓信號(hào)放大預(yù)先設(shè)置好的倍數(shù)， 以驅(qū)動(dòng)后面電 路；(3) 利用 A/D 轉(zhuǎn)換器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供系統(tǒng)處理；(4) 將數(shù)字信號(hào)送入 CPLD 芯片進(jìn)行處理；(5) 時(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換后的室溫

19、，進(jìn)行監(jiān)控；(6) 溫度超過(guò)警戒溫度時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。2.3 系統(tǒng)各部分方案比較信號(hào)采集方案比較在目前，信號(hào)采集有多種方法， 而可用于本系統(tǒng)的溫度的信號(hào)采集大致有三 種方法，下面分別介紹各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論它們的可行性。方案一：采用熱敏電阻采集室內(nèi)溫度信號(hào)。用此方法可滿(mǎn)足 40 C-90 C的 測(cè)量范圍， 但熱敏電阻的精度、 重復(fù)性及其可靠性都比較差， 并且對(duì)于檢測(cè)小于 1C的溫度信號(hào)時(shí)，誤差大、不可靠，所以此方法不可取。方案二：利用電流型溫度傳感器 AD590 采集室內(nèi)溫度信號(hào)。 AD590 具有 較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性?xún)?yōu)于 0.1 C),其良好的非線性可以保證優(yōu)于+0.2 C 的測(cè)量精度，

20、利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn)，通過(guò)非線性補(bǔ)償，可以達(dá)到 +0.2 C測(cè) 量精度。電流型溫度傳感器 AD590 是二端器件， 它采用了一種獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)，利 用最新的薄膜激光微調(diào)技術(shù)作最后的定標(biāo)， 因而具有很高的精度。 且其靈敏度為 1uA/K ，具有很寬的工作電源電壓范圍和很高的輸入阻抗。作為一種高阻電流 源，我們不需要考慮其傳輸線上的電壓信號(hào)損失和噪聲干擾的問(wèn)題， 因此特別適 合做遠(yuǎn)距離測(cè)量或控制應(yīng)用。出于同樣的道理， AD590 也特別適用于多點(diǎn)溫度 測(cè)量系統(tǒng)，而不必考慮選擇開(kāi)關(guān)或 CMOS 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)所引入的附加電阻造成 的誤差。但是，由于AD590采集到的信號(hào)是電流信號(hào)，所以在將數(shù)據(jù)傳給A

21、DC0804 模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前， 必須先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)， 在此期間不但造成了一定 的信號(hào)損失， 又影響了精度， 這就要求我們?cè)?A/D 轉(zhuǎn)換器前設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)保持電 路。這樣一來(lái)，用 AD590 來(lái)檢測(cè)、采集室溫的電路就顯得很復(fù)雜。而且，在高 精度測(cè)溫電路中，還必須考慮 AD590 的輸出電流不被分流影響，因此也放棄使 用本方案。方案三： 采用電壓型溫度傳感器 LM35D 采集溫度信號(hào)。 LM35D 是精密集 成電路溫度傳感器 ， 它的輸 出電壓與 攝氏溫度線 性成比 例， 比例 關(guān)系是 10mV/ Co并且，LM35D無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)來(lái)提供土 0.4 C的常用的室溫精 度，就把信號(hào)損

22、失減少到了最小。而又因?yàn)樗木€性性極好，所以編程時(shí)很容易 實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于本課題來(lái)說(shuō)，選用此方案。232模擬信號(hào)數(shù)字化處理方案由于整個(gè)系統(tǒng)主要是處理數(shù)字信號(hào)而進(jìn)行工作的， 所以當(dāng)由傳感器采集到模 擬信號(hào)后，必須先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能夠使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行工作。而對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 件的選擇，本課題用的是 ADC0804，即系統(tǒng)采用 ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為 模擬信號(hào)數(shù)字化的器件，進(jìn)行數(shù)字化處理，為系統(tǒng)提供數(shù)字信號(hào)量的。233信號(hào)處理方案本系統(tǒng)利用CPLD芯片進(jìn)行信號(hào)處理。將經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信 號(hào)送入CPLD芯片，進(jìn)而根據(jù)已經(jīng)編好的程序（程序見(jiàn)附錄）處理溫度的數(shù)字 信息，進(jìn)一步時(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫度

23、和報(bào)警，達(dá)到時(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。也就是說(shuō)采用 CPLD芯片作為系統(tǒng)信號(hào)處理主控制器。顯示部分方案比較方案一：以前的電子工程師們進(jìn)行電子設(shè)計(jì)時(shí)， 大部分都使用單片機(jī)通過(guò)串 口通信線TXD、RXD （ P3.0、P3.1 ），再加移位寄存器 74LS164來(lái)實(shí)現(xiàn)LED 的顯示功能，如圖2-1所示。這樣一來(lái)，使得每一個(gè)LED數(shù)碼管都需要一片74LS164，使得電路比較麻煩，并且與單片機(jī)接口的編程程序不易實(shí)現(xiàn)，所以本課題放棄使用次方案。圖2-1通過(guò)串口通信線TXO、RXD實(shí)現(xiàn)LED顯示功能方案二：近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有許多基于串行總線方式的LED顯示器接口芯片不斷出現(xiàn)，這些芯片與另一種功能更強(qiáng)、速度更快的控制芯

24、片連接，可實(shí)現(xiàn)以往 單片機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的多種功能，并且具有占用I/O 口線少，進(jìn)行功能擴(kuò)展方便，使用起來(lái)十分容易等特點(diǎn)，這就是用EDA技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)的CPLD芯片，因此本系 統(tǒng)選用此方案。在選用CPLD芯片后，再選用3個(gè)共陰極的8段數(shù)碼顯示管（TOD5201AE ） 來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，用 CPLD已經(jīng)編好的程序來(lái)驅(qū)動(dòng)一片 CD4511 和一片 74LS138就可以控制段碼和位選，以實(shí)現(xiàn)溫度顯示的功能。系統(tǒng)報(bào)警方案設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)，想要的系統(tǒng)功能之一，是想讓在室溫達(dá)到并超過(guò)警戒溫度時(shí)， 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，給人以提示。在此，可用一個(gè)風(fēng)鳴器和一個(gè)三極管放大電路來(lái) 實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。具體的電路分析，詳述見(jiàn)下文中。3系

25、統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)方案3.1系統(tǒng)工作原理流程根據(jù)課題設(shè)計(jì)要求可知，該系統(tǒng)需要利用電壓型溫度傳感器采集室內(nèi)溫度， 產(chǎn)生10mV/ C的電壓信號(hào)，隨后，將該信號(hào)送入放大器進(jìn)行放大，再把此放大 后的信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后由CPLD芯片編程處理，即通過(guò) CPLD芯片編程設(shè)定上下限報(bào)警溫度，并顯示轉(zhuǎn)換后的室溫。具體流程圖如圖 3-1所示。圖3-1系統(tǒng)流程圖在溫度信號(hào)采集電路中采用方案三，使用線性成比例（10mV/ C）的電壓 型溫度傳感器采集信號(hào)，之后，將微弱電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)整個(gè)硬件與軟件系統(tǒng)放大 100倍后的電壓信號(hào)使其顯示就是室溫。首先，使采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大 電路放大十倍后送入 A/D

26、轉(zhuǎn)換器（ADC0804 ）。在此，將ADC0804的基準(zhǔn)電 壓設(shè)為2.5V，由于它為8位轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部轉(zhuǎn)換關(guān)系將輸入信號(hào)擴(kuò)大 50倍后, 才將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。之后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳給CPLD芯片（EP1K100QC208-3），通過(guò)VHDL編程將擴(kuò)大了 500倍的信號(hào)縮小5倍，即可將輸入的微弱電壓信號(hào)最終放大100倍，現(xiàn)在的電壓值便是室溫值。然后經(jīng)過(guò)設(shè)置的I/O 口將數(shù)字信號(hào)傳送給74LS138譯碼器以及驅(qū)動(dòng)器CD4511和 報(bào)警器，使LED八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示室溫和實(shí)現(xiàn)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)功能。3.2傳感器及放大電路321電壓型溫度傳感器LM35D如圖3-2所示，是一般傳

27、感器的工作原理方框圖圖3-2傳感器原理框圖本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所用的傳感器為 LM35D，它是LM35系列的一種，是精密集成電路溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度線性成比例(10.0mV/ C),如圖3-3所示其關(guān)系3。U(V) A圖3-3傳感器溫度電壓關(guān)系曲線因而LM35系列有優(yōu)于用開(kāi)爾文作為標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器，在額定工作 溫度范圍內(nèi)精度為土3/4 C。其密封適合用0-46晶體管封裝，也適合用塑料TO-92晶體管封裝。其特性如下：(1) 直接用攝氏溫度校準(zhǔn)，線性 +10.0mV/ C比例因數(shù)； 在-55+150 C額定范圍內(nèi)保證0.5 C精度(在 +25 C時(shí))；(3)適用于遙控設(shè)備，因晶體片微調(diào)而

28、低費(fèi)用； 工作在430V，小于60 yA漏泄電流，有較低自熱，在靜止空氣中0.08 C； 只有土 1/4 C非線性值，低阻抗輸出，1mA負(fù)載時(shí)0.1 QoLM35系列中的LM35D的工作電壓為4V20V，故可直接用溫控電路的 電源，但要加一個(gè)隔離二極管及平滑電容 C。LM35D測(cè)溫范圍0 C100 C, 輸出電壓直接與攝氏溫度成比例，靈敏度為10mV/ C。將其輸出電壓接2V直流電壓擋數(shù)字萬(wàn)用表，可讀出的分辨率為 0.1 °C的溫度讀數(shù)。例如：室內(nèi)溫度是 28.7 C,那么其轉(zhuǎn)換關(guān)系是28.7 °CX 10 mV/ C =287mV（3.1 ）則表上的讀數(shù)就為287mV，即

29、反映室內(nèi)溫度：28.7 C。集成溫度傳感器LM35D是把測(cè)溫傳感器與放大電路做在一個(gè)硅片上，形成 一個(gè)集成溫度傳感器，它的外形與封裝如下圖（見(jiàn)圖 3-4 ）。卜電源正極1艸）2-輸出【比） GWD）1 2 3Vh-| 4-30VLM35D Vo_ o=T*lumV/?C3圖圖3-4 LM35D的引腳及封裝LM35D是一種輸出電壓與攝氏溫度成正比例的溫度傳感器，精度為土 1 C 最大線性誤差為土 0.5 C,靜態(tài)電流為80uA。該器件如塑封三極管（TO-92 ） 該溫度傳感器最大的特點(diǎn)是使用時(shí)無(wú)需外圍元件，也無(wú)需調(diào)試和較正（標(biāo)定）。LM35D如下圖所示（圖3-5 ）是LM35D的典型測(cè)溫電路及其

30、轉(zhuǎn)換電路的接口電路。27“3 GND1 nF圖3-5 LM35D的典型測(cè)溫電路及與轉(zhuǎn)換電路接口在圖3-5中，經(jīng)LM35D輸出端輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)了由 75 的電阻和1uF 的電容構(gòu)成的積分濾波網(wǎng)絡(luò)，可濾除其他的雜質(zhì)信號(hào)，使采集到的與溫度成比例（10mV/ C）的電壓信號(hào)更加穩(wěn)定，之后再將溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器送給 ADC0804進(jìn)行轉(zhuǎn)換。322放大電路設(shè)計(jì)圖3-6 系統(tǒng)的放大電路部分如圖3-6所示，為系統(tǒng)的放大電路部分，電壓型溫度傳感器LM35D采集到的室溫為很微弱的模擬量。例如：若室溫為 26 C,那么經(jīng)LM35D采集后得 到的電壓信號(hào)為0.26 V，這樣一個(gè)微弱的電壓信號(hào)，既不利于處理又容易產(chǎn)生

31、誤差且不穩(wěn)定。所以我們需要將此信號(hào)在整個(gè)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)中放大100倍（如前所述），之后將其送入驅(qū)動(dòng)電路，即可在 LED數(shù)碼管上顯示室溫，達(dá) 到目的。如圖所示，在放大電路中，取R6為1K是為了好計(jì)算放大倍數(shù)，R5用20K的滑動(dòng)變阻器使這個(gè)0.26 V的微弱電壓信號(hào)可以在0-20的放大倍數(shù) 范圍內(nèi)可調(diào)，在此，將其放大10倍，因此需要將R5調(diào)至10K。這樣經(jīng)放大器 OP07放大后從第6腳輸出的電壓信號(hào)就為放大十倍的 2.6V。這樣就足以驅(qū)動(dòng) 后面的電路進(jìn)行工作，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。3.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路部分分析3.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換器隨著數(shù)字技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與普及， 在現(xiàn)代控

32、制、通信及 檢測(cè)領(lǐng)域中，為提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理無(wú)不廣泛的采用了數(shù)字計(jì)算 機(jī)。但由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖象等），所以要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別和處理這些信號(hào)，首先就必須將這些模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，這樣就需要一種能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的電路一一模數(shù) 轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）。而為了將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間和幅 值都離散的數(shù)字信號(hào)，一般要經(jīng)過(guò)四個(gè)過(guò)程5，如圖3-7所示。圖3-7 模數(shù)轉(zhuǎn)換流程而在實(shí)際電路中，上述四個(gè)過(guò)程中有的是合并進(jìn)行的。例如，取樣和保持、量化 和編碼，往往都是在轉(zhuǎn)化過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。具體介紹如下：(1) 取樣與保持

33、取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量(這里要注意的是取樣以后信號(hào)依然是模擬量)。取樣的過(guò)程示意圖如圖3-8所示。TGVi(t)Vo(t)k1111S(t)圖3-8取樣過(guò)程圖中的傳輸門(mén)受取樣信號(hào)S (t)的控制，在S (t)的脈寬t期間，傳輸門(mén)導(dǎo) 通，輸出信號(hào)Vo (t)為輸入信號(hào)Vi(t)，即Vo(t)=Vi(t)，而在(Ts t)期間，傳 輸門(mén)關(guān)閉，輸出信號(hào)Vo (t) =0?？梢?jiàn)，取樣就是在一個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)上采集一 個(gè)模擬信號(hào)的具體值，而要將取樣得來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)得經(jīng)過(guò)一段時(shí) 間，所以有必要將取樣電路每次取得的信號(hào)通過(guò)保持電路保持一段時(shí)間，以便給后續(xù)的量化編碼提供

34、一個(gè)穩(wěn)定值，即使用保持電路使整個(gè)系統(tǒng)更加協(xié)調(diào)穩(wěn)定。(2) 量化與編碼數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個(gè)數(shù) 字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)化過(guò)程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方 式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。 這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱(chēng)為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱(chēng)量化。量化 后的數(shù)值最后還必須用某一個(gè)代碼表示出來(lái)，這個(gè)過(guò)程就叫做編碼。經(jīng)編碼得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器的最后輸出量，就是表示模擬信號(hào)大小的數(shù)字信號(hào)量。332 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇近年來(lái)，A/D轉(zhuǎn)換器隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展而日新月異，各種性能優(yōu)異的A/D轉(zhuǎn)

35、換器層出不窮。早期的A/D轉(zhuǎn)換器與CPU接口一般采用并行總線方式， 現(xiàn)在一些采用I2C、SPI總線的新型A/D轉(zhuǎn)換器相繼被國(guó)外一些公司推出，極大 地豐富了 A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)前向通道中被測(cè)量對(duì)象的精度有關(guān)。一般情況下，由于客觀條件的影響，電路設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率要高于被測(cè)量對(duì)象的信號(hào)最低分辨率。假如，我們要測(cè)量一組電源電壓，其電壓的輸出范圍是0 10V，如要求精確到0.1V，即分辨率為0.1/10=1%,那么在實(shí)際應(yīng)用中我們 選擇分辨率為1/256=0.4% 的8位A/D轉(zhuǎn)換器便可滿(mǎn)足要求。當(dāng)然，A/D轉(zhuǎn)換器 的位數(shù)越多，分辨率也就越高，但是成本也就隨之

36、愈高。因此在實(shí)際電路的設(shè)計(jì) 中，選擇A/D轉(zhuǎn)換器也不能一味強(qiáng)調(diào)位數(shù)，應(yīng)該在滿(mǎn)足系統(tǒng)性能指標(biāo)的前提下， 追求最高的性能價(jià)格比。目前，被廣泛使用的A/D轉(zhuǎn)換器種類(lèi)很多，從接口協(xié)議上分為串行和并行兩 種方式。串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器占用較少的CPU外部I/O資源，主要采用的協(xié)議 有SPI和I2C等方式，程序設(shè)計(jì)較并行接口略顯繁瑣，典型的芯片有 TI公司的 TLC25431543 等等。并行接口的A/D轉(zhuǎn)換器芯片目前仍占多數(shù)，流行的有 ADC0804、ADC0809、AD574等等。而本課題的設(shè)計(jì)使用的是 ADC0804來(lái)完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變的。下面就來(lái)介紹A/D轉(zhuǎn)換芯片的硬件設(shè)計(jì)方法。轉(zhuǎn)換電路+

37、5畦4CPLD芯片D I 3 J" 5 6 7 DDDDDDDDCLK*RCXK-IN.WC08O；Vret'2A-UND圖3-9 A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3-9所示，是A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804的硬件設(shè)計(jì)電路，其中ADC0804 是逐次逼近型8位8通道A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的主要技術(shù)指標(biāo)是：8位分辨率，土 1/2LSB的轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間典型值為100us （時(shí)鐘頻率為640KHZ時(shí)），電 源電壓為單電源5V。其引腳中DB0 DB7為8位數(shù)字信號(hào)輸出端（即轉(zhuǎn)換后的數(shù) 字量），VCC為電源端，GND為接地端，VREF為參考電壓輸入端，CLK是時(shí)鐘 信號(hào)輸入端，第6腳接的是放大器送出的

38、溫度信號(hào)量。信號(hào)從ADC0804的第6腳送入，R3與C3通過(guò)ADC0804的19腳（CLKR ） 接地與4腳（CLK ）向內(nèi)部電路提供時(shí)鐘信號(hào)，以給 ADC0804 一個(gè)正確的時(shí)序， 使其正確工作。如果從量程為0-100 C LM35D采集到最高溫度100 C,那么由于LM35D 靈敏度為10mV/ C以及經(jīng)過(guò)放大器OP07后放大十倍，則傳到ADC0804輸入腳 VI +的電壓信號(hào)為10V，再經(jīng)過(guò)ADC0804內(nèi)部的輸入電壓與基準(zhǔn)電壓的公式 （如 下）放大50倍（此50倍為數(shù)字量的50倍）:（Ui/V REF *2） *256（3.2）其中“*”符號(hào)表示乘的意思，Ui表示為輸入電壓，即VI+，

39、Vref為ADC0804 內(nèi)部設(shè)定的基準(zhǔn)電壓（隨時(shí)可以更改）。如下圖（圖3-10 ）是A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程：VeVx（1000 ） （0100 ） （0110 ） （0111 ）II1I t圖3-10 A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程原理圖在硬件設(shè)計(jì)中，我們將基準(zhǔn)電壓（Vref ）調(diào)至2.5V，將VI+=10V代入上公 式則可得ADC0804的輸出為10V電壓的256/550倍，將其送入電路的信息處 理部分一CPLD芯片，再利用軟件的方法將結(jié)果除以5便可達(dá)到最終的放大目的， 之后送入驅(qū)動(dòng)電路使其顯示出最大溫度為 100 C。由于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為 1/256=0.4% ，我們將最高溫度設(shè)為100 C的話，可得它的

40、測(cè)量精度為 100/256=0.4 C。那么如果將最高溫度設(shè)為50 C,我們可得它的溫度范圍為 0-50 C,測(cè)量精度為50/256=0.2 C。為了提高精度，我們將最高報(bào)警溫度設(shè) 為 50 Co還如前面的例子，如果室溫為26 C，那么經(jīng)放大電路放大后傳到ADC0804 輸入角VI+的電壓信號(hào)為2.6V，將其代入上公式則可得ADC0804的輸出為2.6V 電壓的256/5 - 50倍的二進(jìn)制數(shù)，將其送入系統(tǒng)的主控制器，我們?cè)倮密浖?的方法將結(jié)果除以5便可得送入驅(qū)動(dòng)電路使其顯示出的溫度為 26 Co在這個(gè)轉(zhuǎn)換 電路中，ADC0804起著兩個(gè)作用，一是將模擬量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字量，二是 將此輸入

41、信號(hào)在放大電路放大10倍后再放大50倍。ADC0804由CPLD芯片預(yù)設(shè)控制端啟動(dòng)，它與CPLD的接口電路工作的流 程圖如圖3-11所示。經(jīng)ADC0804轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過(guò)DB0-DB7端口傳CPLD芯片 的預(yù)設(shè)輸入端，供后面編程控制，使其縮小 5倍，然后顯示室溫。CS端為 ADC0804的片選信號(hào)端，低電平有效。WR、RD分別為寫(xiě)、讀端，將其與CPLD 芯片的寫(xiě)、讀端相連。INTR端為中斷口，當(dāng)其為高電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換完成，之后， 送中斷信號(hào)給單片機(jī)，等待CPLD芯片發(fā)出信號(hào)接收轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)，在整 個(gè)系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換電路起著至關(guān)重要的作用。它的設(shè)計(jì)好壞直接影響著整個(gè)系 統(tǒng)的工作性

42、能。圖3-11ADC0804工作流程圖3.4系統(tǒng)主控制器選擇3.4.1 CPLD(FPGA)概述集成電路的發(fā)展大大促進(jìn)了 EDA的發(fā)展，從而使電路設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的“自上 而下”的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變?yōu)椤白韵露稀钡脑O(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)師們都希望自己設(shè)計(jì)的 芯片能夠反映自己的思想，并且能夠及時(shí)的投入生產(chǎn)使用，這都有益于可編程邏 輯器件(PLD )的出現(xiàn)?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PLD 主要是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA，F(xiàn)ield programmable Gate Array )和復(fù)雜可編程邏輯器件( CPLD ， ComplexProgrammable Logic Device ) ?？删幊踢壿嬈骷? PLD ，Pro

43、grammable Logic Device )是 ASIC 的一個(gè) 重要分支，其發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：(1) 20 世紀(jì) 70 年代，熔絲編程的 PROM 和 PLA 器件是最早的可編程邏輯器件。(2) 20 世紀(jì) 70 年代末，對(duì) PLA 進(jìn)行了改進(jìn)， AMD 公司推出 PAL 器件。(3) 20 世紀(jì) 80 年代初， Lattice 公司發(fā)明電可擦寫(xiě)的，比 PAL 使用更靈活的 GAL 器件。(4) 20 世紀(jì) 80 年代中期， Xilinx 公司提出現(xiàn)場(chǎng)可編程概念，同時(shí)生產(chǎn)出世界 上第一塊FPGA 芯片，并且， Altera 公司推出 EPLD 器件，較之 Gal 器件具有更

44、高 的集成度，可用電或紫外線擦除。(5) 20 世紀(jì) 80 年代末， Lattice 公司又提出系統(tǒng)可編程技術(shù)，推出一系列具備 系統(tǒng)可編程能力的 CPLD 器件，能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯功能。(6) 20 世紀(jì)90 年代，可編程邏輯集成電路技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，器件的可用 邏輯門(mén)超過(guò)百萬(wàn)門(mén)，并出現(xiàn)了內(nèi)嵌發(fā)展功能模塊(如加法器、乘法器、RAM、CPU 核、 DSP 核、 PLL 等 )的 SOPC 。總的說(shuō)來(lái)， PLD 器件是廠家作為一種通用型器件生產(chǎn)的半定制電路，用戶(hù) 可通過(guò)對(duì)器件編程實(shí)現(xiàn)所需要的邏輯功能。并且它是一種用戶(hù)可配置的邏輯器 件，其成本比較底，使用靈活，設(shè)計(jì)周期短，而且可靠性高，風(fēng)險(xiǎn)小，

45、因而很快 得到普及應(yīng)用，發(fā)展非成迅速。從 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展到現(xiàn)在， PLD 已經(jīng)在各 個(gè)方面的工藝上取得了突破和不斷發(fā)展。經(jīng)歷了從PROM 、PLA 、PAL、GAL到CPLD( FPGA )、ispLSI等高密度的PLD發(fā)展過(guò)程。其中PAL和GAL都所 于簡(jiǎn)單的 PLD ，它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，對(duì)開(kāi)發(fā)軟件的要求低，但是規(guī)模都 很小，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，所以隨著技術(shù)的發(fā)展，種種弊端也暴露出來(lái)， 因此， CPLD 等一系列的復(fù)雜 PLD 迅速的發(fā)展起來(lái)，并向著高密度，高速度， 低功耗以及結(jié)構(gòu)體系更靈活、通用范圍更廣的方向發(fā)展。復(fù)雜可編程邏輯器件( CPLD ，復(fù)雜 PLD 。統(tǒng)稱(chēng)

46、將集成度達(dá)到一定程度的 PLD 器件叫做 CPLD 。 ) ，是20世紀(jì)80年代末 Lattice 公司提出的在線可編程 (isp， In system programmability )技術(shù)以后， 于 20 世紀(jì) 90 年代初出現(xiàn)的。 它是在 EPLD 的基礎(chǔ)上，采用 E2CMOS 工藝制作發(fā)展起來(lái)的。與 EPLD 相比， 它增加了內(nèi)部連線，對(duì)邏輯宏單元和 I/O 口都有重大的改進(jìn)。 CPLD 至少包括 三個(gè)部分：可編程邏輯宏單元，可編程 I/O 單元和可編程內(nèi)部連線。典型的器 件有 Altera 的 MAX7000 系列， Xilinx 的 7000 和 9500 系列， Lattice

47、的PLSI/ispLSI 系列和 AMD 的 MACH 系列隨著數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能復(fù)雜化程度的不斷加大， 集成芯片正朝著超大規(guī)模、 高密度的方向發(fā)展。與此同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)超大規(guī)模的數(shù)字時(shí)序系統(tǒng)芯片在 工作時(shí)從時(shí)間軸上來(lái)看，并不是每一瞬間系統(tǒng)的各個(gè)部分都在工作，而系統(tǒng)是 各個(gè)局部模塊功能在時(shí)間鏈上的總成。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，基于 SRAM 編程的 CPLD/FPGA 可以在外部邏輯的控制下，通過(guò)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中不同的目標(biāo)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)的重新下載，來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片邏輯功能的改變。正是基于這個(gè)稱(chēng)之為靜態(tài)系統(tǒng) 重構(gòu)的技術(shù)，有人設(shè)想利用芯片的這種分時(shí)復(fù)用特性， 用較小規(guī)模的CPLD (或 FPGA )芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)

48、字時(shí)序系統(tǒng)。 在研究過(guò)程中人們卻發(fā)現(xiàn)常規(guī)的 SRAM 的 CPLD 只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)。因?yàn)樵撔酒δ艿闹匦屡渲么蠹s需要 數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒量級(jí)的時(shí)間；而在重新配置數(shù)據(jù)的過(guò)程中，舊的邏輯功能失 去，新的邏輯功能尚未建立，電路邏輯在時(shí)間軸上斷裂，系統(tǒng)功能無(wú)法動(dòng)態(tài)連 接。要實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，要求芯片功能的重新配置時(shí)間縮短到納秒量級(jí)， 這就需要對(duì) CPLD 的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行革新。在早期的 CPLD 中，由結(jié)構(gòu)相同的邏輯陣列組成宏單元模塊。 對(duì)一個(gè)邏輯陣 列單元來(lái)說(shuō)，輸入項(xiàng)由專(zhuān)用的輸入端和 I/O 端組成，來(lái)自 I/O 端口輸入項(xiàng)，可 通過(guò) I/O 結(jié)構(gòu)控制模塊的反饋選擇，也可以由 I/O 端直接

49、輸入，也可以是本單 元輸出的內(nèi)部反饋。 所有的輸出項(xiàng)都經(jīng)過(guò)緩沖器驅(qū)動(dòng)， 并輸出其輸入的原碼及補(bǔ) 碼?？梢钥闯觯?早期 CPLD 中的邏輯陣列結(jié)構(gòu)與 PAL、GAL 中的結(jié)構(gòu)極為類(lèi)似， 只是用 EPROM 單元取代了 PAL 中的熔絲和 GAL 中的 EEPROM 單元。和 GAL 一樣， CPLD 可實(shí)現(xiàn)擦除和再編程功能。在基本結(jié)構(gòu)中，每個(gè)或門(mén)有 8 個(gè)固定 乘積項(xiàng)，也就是說(shuō)邏輯陣列單元中的或門(mén)陣列是固定的、 不可編程的， 當(dāng)遇到復(fù) 雜的組合邏輯時(shí)，需要的乘積項(xiàng)可能超過(guò) 8 個(gè)，這就要用兩個(gè)或多個(gè)邏輯單元 來(lái)實(shí)現(xiàn)，致使器件的利用率不高。為此，目前的 CPLD 在邏輯陣列單元結(jié)構(gòu)方 面做了很大的

50、改進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1) 乘積項(xiàng)數(shù)目不同的邏輯陣列單元對(duì)于復(fù)雜的邏輯器件來(lái)說(shuō)， 邏輯函數(shù)往往需要附加乘積項(xiàng)。 以便利用其他宏 單元以提供以提供所需的邏輯資源， 還可以利用其結(jié)構(gòu)中具有的共享和并聯(lián)擴(kuò)展 乘積項(xiàng)。達(dá)到盡可能的少占資源，并且盡可能的加快工作速度的目的。(2) 具有兩個(gè)或項(xiàng)輸出的邏輯陣列單元 每個(gè)邏輯陣列單元可以共享相鄰單元中的乘積項(xiàng)，也可以使本單元中的兩個(gè)或項(xiàng)都可用于相鄰的兩個(gè)單元中， 這樣，既提高了器件內(nèi)部各單元的利用率， 又 可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯功能。CPLD 的 I/O 口控制模塊， 根據(jù)器件的類(lèi)型和功能的不同， 可有各種不同的 結(jié)構(gòu)形式， 但基本上每個(gè)模塊都由輸出

51、極性轉(zhuǎn)換電路、 觸發(fā)器和輸出三態(tài)緩沖器 三部分及于它們相關(guān)的選擇電路組成。 各個(gè)生產(chǎn)廠家可以根據(jù)不同的用途和使用 對(duì)象的不同進(jìn)行選擇生產(chǎn)，以求達(dá)到最佳的生產(chǎn)和使用目的。3.4.2 CPLD 芯片簡(jiǎn)介及器件選擇CPLD （或 FPGA ）的主要生產(chǎn)廠家是 Altera 公司、 Xilinx 、Lattice 等， 各自都有自己的產(chǎn)品特點(diǎn)。（1）Altera 公司 CPLD 的系列型號(hào)Altera 公司多年來(lái)一直在 PLD 行業(yè)保持著領(lǐng)先地位，并在我國(guó)有著較多的 用戶(hù)，該公司的 PLD 器件具有高性能、高集程度、高性?xún)r(jià)比、低功耗等特點(diǎn)。 主要型號(hào)有膠合（glue ）邏輯類(lèi)的MAX系列，低價(jià)位的AC

52、EX系列、高速FLEX 系列、高密度的 APEX 系列等。而后來(lái)又推出的 EPM 系列和 EPF 系列的集程 度更是大大提高，性能更加優(yōu)越。在眾多的產(chǎn)品系列中， Altera 公司推出的新型低成本 CPLD 器件 ACEX 系列的主要特點(diǎn)為： 密度范圍大， 從1萬(wàn)到10 萬(wàn)門(mén)（56,000 到257,000 系統(tǒng) 門(mén)）；配備鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)，與64位、66MHZ的PCI兼容；產(chǎn)品系列從 原 1.8v 擴(kuò)展至 2.5v ；提供系統(tǒng)速度超過(guò) 115MHZ 的高性能功能。所以， ACEX 系列是許多設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)選器件。（2）Xilinx 公司 CPLD 的系列型號(hào)Xilinx 公司是在 1

53、985 年首次推出 CPLD 器件的，隨后不斷的推出新的集 程度更高、速度更快、價(jià)格更低的 CPLD 器件。其主要的 CPLD 器件以 CoonRunner 和 XC9500 兩大系列為代表。其中 XC9500 系列被廣泛應(yīng)用于 通信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品中。該系列器件采用快閃存技術(shù)，比E2CMOS 技術(shù)工藝的速度更快，功耗更低。目前， Xilinx 公司 XC9500 系列 CPLD 的 tPD 可 達(dá)4ns，宏單元數(shù)可達(dá)288個(gè)，系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)200MHZ。XC9500系列器件支 持 PCI 總線規(guī)范和 JTAG 邊界掃描測(cè)試功能，具有在系統(tǒng)可編程（ isp ）能力。 該系列有 XC9500

54、、 XC9500XV 和 XC9500XL 三種類(lèi)型，內(nèi)核電壓分別為 5V 、 2.5V 、 3.3V ，也就如前所說(shuō)，其功耗很低。（3）Lattice 公司 CPLD 的系列型號(hào)Lattice 公司是最早推出 PLD 器件的公司， 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)， Lattice 公司首先發(fā)明了 isp技術(shù)，并將E2CMOS與isp技術(shù)相結(jié)合，使CPLD的應(yīng)用 領(lǐng)域有了巨大的發(fā)展。其產(chǎn)品主要有 ispLSI 、 ispMACH 等系列。集程度在 1 萬(wàn)門(mén)到 2.5 萬(wàn)門(mén)之間。工作電壓在 3.3V ，而其 I/O 口引腳可兼容 5V、 3.3V 和 2.5V 等接口標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜诟呶坏臄?shù)字系統(tǒng)中，準(zhǔn)

55、確率很高。其中 ispLSI 系列器件又分為四個(gè)系列： ispLSI1000 系列、 ispLSI2000 系 列、ispLSI6000 系列和ispLSI8000 系列。都可以滿(mǎn)足復(fù)雜程度很高的邏輯功 能設(shè)計(jì)。根據(jù)以上所述，各個(gè)廠家生產(chǎn)的CPLD芯片可謂各有各的優(yōu)點(diǎn)，功能都很齊 全，而在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)CPLD芯片的選擇是選用了 Altera公司ACEX1K 系列的EP1K100QC208-3 。因?yàn)楸救嗽谄綍r(shí)的實(shí)踐訓(xùn)練中用的多數(shù)都是此芯 片，有較多的關(guān)于EP1K100QC208-3的資料可以查詢(xún)，對(duì)EP1K100QC208-3的大多性能都有了一定的了解，用起來(lái)可以得心應(yīng)手，并且與其他的C

56、PLD芯片比起來(lái)，EP1K100QC208-3這一型號(hào)的優(yōu)點(diǎn)也很多，功能也很強(qiáng)大，故選擇該器件。343 EP1K100QC208-3簡(jiǎn)單介紹說(shuō)明EP1K100QC208-3（管腳圖見(jiàn)附錄 2 ）是Altera 公司生產(chǎn)的 ACEX1K系列中的一個(gè)型號(hào)。它一共有 208個(gè)管腳，其中I/O 口有124個(gè)，GNDIN有 20 個(gè)，VCCIN 有 11 個(gè)，VCCIO 有 14 個(gè)，VCC_CLK 和 GND_CLK 各有一 個(gè)，另外還有時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、專(zhuān)用程序下載口等一共是37個(gè)。在此芯片上有如此多的I/O 口，其目的就是為了方便用戶(hù)可以任意定義信號(hào)的輸入輸出口， 從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。這也是CPLD 的復(fù)雜功能所在，更是 EP1K100QC208-3 的用途所在。由于由CPLD芯片的預(yù)設(shè)輸出口發(fā)出的電壓信號(hào)非常微弱，因此，需要將 其放大，才能帶動(dòng)蜂鳴器使其工作。R8用一個(gè)滑動(dòng)變阻器使這個(gè)電壓信號(hào)的放 大倍數(shù)可調(diào)，此報(bào)警電路的輸入引腳由 CPLD