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1、基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计I基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计摘 要：停车场车位显示的设计这个课题是非常实用的一个设计，与生活应用息息相关。课题是一个基于 FPGA点停车场车位显示的设计，设计采用硬件描述语言。要用1010传感器检测车位信息，并设计转换电路。此设计的突破口是传感器，它是设计的起始端。分析综合传感器的性能特点，最终选用的是红外反射光电传感器。在程序设计方面，总共用到两个模块：分组模块，显示模块。在设计中选用 Altera 公司的 FLEX10K系列的 EP1K100FC484-1 作为主芯片，所有的设计在 EDA 软件开发平台MAX+PLUS上利用硬件描述
2、语言 VHDL 进行设计编程。关键词：FPGA；位置传感器；VHDL基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计IIDesign of Car Parking Spaces Display System Based on FPGAAbstract: The design of car parking spaces display system based on FPGA is a very practical Subject, and close to our lives. This subject is the design of a 10 times 10 parking spaces di
3、splay based on the FPGA in VHDL. We use position sensor to detect the parking spaces. And we should draw out the circuit of position sensor. This design in sensor is the breakthrough, which is designed to start off. Analyzing the characteristics and function of sensors, reflection photoelectric sens
4、or is the ultimate choice. In the process of the design, including two modules: packet module and display modules. In the design choosing the company of altera FLEX10K series of EP1K100FC484-1 as the main chip, all of the design use hardware description language VHDL on EDA MAX + PLUS platform.Key w
5、ords: FPGA,；position sensors； VHDL基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计1第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景FPGA 是 20 世纪 90 年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着 EDA（电子设计自动化）技术和微电子技术的进步，FPGA 的时钟延迟可达到 ns 级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景。当今电子系统数字化已成为有目共睹的趋势。从传统的应用中小规模芯片构成电路系统到广泛地应用单片机,直至今天 FPGA/CPLD 在系统设计中的应用,电子设计技术已迈入了一个全新的阶段。FPGA/CPLD 不仅具有容量大、逻辑功能
6、强的特点,而且兼有高速、高可靠性。同时使得硬件的设计可以如软件设计一样方便快捷,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。采用 FPGA/CPLD 可编程器件,可利用计算机软件的方式对目标器件进行设计,而以硬件的形式实现既定的系统功能。在设计过程中,可根据需要随时改变器件的内部逻辑功能和管脚的信号方式,借助于大规模集成的 FPGA/CPLD 和高效的设计软件,用户不仅可通过直接对芯片结构的设计实行多种数字逻辑系统功能,而且由于管脚定义的灵活性,大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量及难度,同时,这种基于可编程芯片的设计大大减少了系统芯片的数量,缩小了系统的体积,提高了系统的可靠性
7、。1.2 EDA 技术的主要内容及发展趋势EDA 是 Electronic Design Automation(电子设计自动化)的缩写。EDA 技术就是以微电子技术为物理层面，现代电子设计技术为灵魂，计算机软件技术为手段，最终形成集成电子系统或专用集成电路 ASIC（Application Specific Integrated Circuit）为目的的一门新兴技术。利用 EDA 技术进行电路设计的大部分工作是在 EDA 软件工作平台上进行的，EDA 设计流程如图 1.1 所示。EDA 设计流程包括设计准备、设计输入、设计处理、器件编辑和设计完成 5 个步骤，以及相应的功能仿真、时序仿真和器件
8、测试 3 个设计验证过程。EDA 技术的设计大致可分为系统级设计、电路级设计和物理实现级设计。物理实现级设计主要是指 IC 版图设计，一般由半导体厂家完成。EDA 的发展趋势是与工艺无关的系统设计，即高层设计，使设计与制作分开，这里只论述电路级设计和系统级设计。 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计2设计准备设计输入设计处理器件编辑设计完成功能仿真时序仿真器件测试图1.1EDA设计流程（1）电路级设计电路级设计主要指设计师根据设计任务，首先要查阅芯片和元器件手册，选择合适的器件来实现系统的功能，然后根据芯片和元器件的性能设计电路图，制作PCB板，用示波器和信号源对系统进行调试。电路级ED
9、A设计流程如图1.2所示。电路级EDA技术向设计师提供了仿真，后分析以及后仿真的功能，使设计师在微机或工作站上就可以进行逻辑功能的仿真以检验方案在功能设计方面的可行性。由此可见，电路EDA技术可使设计师在系统还没有制作之前就可全面了解系统的功能及PCB板的各种性能参数，比传统的设计方法大大提高了一步。（2）系统级设计系统级设计是设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的方案与概念构思上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能够以规则驱动的方式自动完成整个设计，从而大大缩短了产品的研制周期。
10、而且高层次设计只是定义系统的行为特性，可以不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下，利用综合基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计3优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网表，工艺转化变得轻松容易。系统设计设计电路图系统仿真模拟仿真布局布线后分析制作 PCB系统实现混合仿真数字仿真芯片元件库仿真模型库可靠性分析串行干扰分析热分析电磁兼容分析图1.2EDA电路设计工作流程系统级设计采用的是自顶向下的正向设计思想。设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路(ASIC)实现，然后采用硬件描述语言(VHDL)完成系统行为级设计
11、，最后通过综基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计4合器和适配器生成最终的目标器件，其设计流程如图1.3所示。 系统划分VHDL 语言描述VHDL 语言级功 能仿真编译、综合将语 言转换为门电路全时序逻辑优化门级电路仿真可测试性分析和测 试电路自动生成约束驱动系统完成ASIC 实现CPLD 实 现图1.3EDA系统设计工作流程1.2.1 EDA 技术的主要内容EDA 技术涉及面广，内容丰富，从教学和使用的角度看，主要应掌握如下 4 个方基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计5面的内容：（1）大规模可编程逻辑器件；（2）硬件描述语言；（3）软件开发工具；（4）实验开发系统；其中，大规模可
12、编程逻辑器件是利用 EDA 技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用 EDA 技术进行电子系统设计的主要手段，软件开发工具是利用 EDA 技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具，实验开发系统则是利用 EDA 技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。1.2.2 EDA 技术的发展趋势从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用文泛、工具多样、软件功能强大。中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PC主板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员研发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要购入一
13、些最新的EDA技术。在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。有条件的企业可开展“网络制造”，便于合作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试
14、技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。在ASIC和PLD设计方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方向发展。外设技术与EDA工程相结合的市场前景看好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏幕技术也有所发展。我国自1995年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应的工具。日本、韩国都有ASIC设计工具，但不对外开放 。中国华大集成电路设计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具有各地开基
15、于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计6花并结果。据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年复合增长率分别达到了50%和30%。EDA技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。EDA技术的应用广泛，现在已涉及到各行各业。EDA水平不断提高，设计工具趋于完美的地步。EDA市场日趋成熟，但我国的研发水平很有限，需迎头赶上。1.2.3 EDA 开发工具的发展趋势面对当今飞速发展的电子产品市场，电子设计人员需要更加实用、快捷的开发工具，使用统一的集成化设计环境，改变优先考虑具体物理实现方式的传统设计思路，将精力集中到设计构思、方案比较和寻找优化设计等方面，以最快的速度开
16、发出性能优良、质量一流的电子产品。开发工具的发展趋势如下：（1）具有混合信号处理能力由于数字电路和模拟电路的不同特性，模拟集成电路 EDA 工具的发展远远落后于数字电路 EDA 开发工具。但是，由于物理量本身多以模拟形式存在，实现高性能复杂电子系统的设计必然离不开模拟信号。20 世纪 90 年代以来，EDA 工具厂商都比较重视数模混合信号设计工具的开发。美国 Cadence 、Synopsys 等公司开发的 EDA 工具已经具有了数模混合设计能力，这些 EDA 开发工具能完成含有模数变换、数字信号处理、专用集成电路宏单元、数模变换和各种压控振荡器在内的混合系统设计。（2）高效的仿真工具在整个电子系统设计过程中，仿真是花费时间最多的工作，也是占用 EAD 工具时间最多的一个环节。可以将电子系统设计的仿真过程分为两个阶段：设计前期的系统级仿真和设计过程中的电路级仿真。系统级仿真主要验证系统的功能，如验证设计的有效性等；电路级仿真主要验证系统的性能，决定怎样实现设计，如测试设计的精度、处理和保证设计要求等。要提高仿真的效率，一方面是要建立合理的仿真算法；另一方面是要更好地解决系
