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1、 毕业设计（论文）（2015届）题目 ： 基 于 F P G A 的 地 铁 自 动 售 票 系 统 设 计学院 ： 物 理 科 学 与 技 术 学 院专业 ： 电 子 信 息 工 程姓名 ： 学号 ： 指 导 教 师 ： 南京师范大学本科生学位论文毕业设计 （ 论文 ） 开题报告1本课题的目的及研究意义地铁配套设备的范围十分广泛，包括了车辆选型与行车组织、供电系统、环控通 风系统、给排水及消防系统、通信系统、信号系统、自动扶梯、电梯、自动售检票系 统、防灾报警系统、设备监控系统、综合信息管理系统、旅客向导系统、运营控制中 心系统、车辆段及综合基地系统、勘察、检验系统、施工系统等各个方面。其中
2、，自动售检票(AFC)系统利用先进的机电一体化技术和先进的电子、通信、网络等技术，使售票、检票、计费、收费、统计全过程管理自动化，减少了运营部门工 作人员的劳动强度，能及时获取客流信息与轨道交通系统运营收益的第一手资料，保 证投资回报。它的出现，淘汰了工作强度大、漏检票率高、适用范围又小的传统手工 售检票方式，为地铁能够合理计费、吸引客流、遏制舞弊和逃票、减少管理人员、削 减运营成本等都提供了可能，显著提高了其社会效益和经济效益，目前已成为了现代 化地铁的标准配置。随着微电子技术的飞速进步, 电子学进入了一个崭新的时代, 其特征是电子技术的 应用正以空前规模和速度渗透到各行各业。现场可编程器件
3、的广泛应用, 为各行业的电 子系统设计工程师自行开发本行业专用的ASc I 提供了技术和物质条件。FGPA器件作为 当今电子设计领域应用最广泛的可编程器件之一, 其原因是多方面的, FGPA器件高集成 度、可现场修改、开发周期短等优点满足了从军用到民用、从高端到低端的大多数电 子设计领域的需求。而FGPA器件从出现至今只有短短二十年的发展历史, 有很多电子设 计工程师以至FPGA产品的用户对这一器件的特性、优势还不是非常了解, 部分有经验的 设计师依然习惯于用单片机等传统工具从事电路设计, 这样就影响了电子产品的市场 竞争力, 也忽略了产品的升级空间 因此, 十分有必要对FPGA这一族器件进行
4、全面细致 的分析研究, 从而更好地利用FPGA的优势为电子设计服务。2本课题的国内外的研究现状在地铁系统的应用越来越广泛，大大改善城市交通的同时，人们也对其配套设备 的现代化程度提出了更高的要求。随着国民经济的发展，我国的地铁建设也日益成为 人们日常生活中不可或缺的一部分。绝大多数的城市轨道交通系统都是用来运载市内 通勤的乘客，而在很多场合下城市轨道交通系统都会被当成城市交通的骨干。通常， 城市轨道交通系统是许多都市用以解决交通堵塞问题的方法。然而售票作为地铁运营 服务的第一道关，改善地铁已逐渐落后于时代步伐的售票系统势在必行。20 世纪 90 年代以来，微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平
5、已达到深亚微米（De ep Submicron）级，在一个芯片上可集成数百万乃至上千万晶体管，工作速度可达 到 Gb/s，这为制造出规模更大、速度和信息容量更高的芯片系统提供了基础条件，同 时也对 EDA 系统提出了更高的要求，并大大促进了 EDA 技术的发展。20 世纪 90 年代 以后，出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代 EDA 技术，它不 仅极大地提高了系统的设计效率，而且使设计者摆脱了大量的辅助性工作，将精力集 中于创造性的方案与概念的构思上。这个阶段的 EDA 技术主要有如下特征。 高层综合（High Le vel Synthesis，HLS）的理论与方法取得进展
6、，从而将 EDA 设 计层次由 RT 级提高到了系统级（又称行为级）。 采用硬件描述语言（Ha rdware De scription La nguage, HDL）来描述 10 万门以上I南京师范大学本科生学位论文的设计，并形成了 VHDL 和 Ve rilog HDL 两种标准硬件描述语言。 采用平面规划（Floorplaning）技术对逻辑综合和物理版图设计进行联合管理， 做到在逻辑综合早期设计阶段就考虑到物理设计信息的影响。 可测性综合设计。 为带有嵌入 P 核的 ASIC 设计提供软、硬件协同设计工具。 建立并行设计工程（Concurrent Engine ering，CE）框架结构
7、的集成化设计环境。 随着市场需求的增长，集成工艺水平的可行性以及计算机自动设计技术的不断提高，促使单片系统（或称系统集成芯片）成为集成电路设计的发展方向，这一发展趋 势表现在如下几个方面：一是超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，深亚微米工艺，如 0.18m、 0.13m、90nm（2003 年）已经走向成熟，在一个芯片上完成系统级集成已成为可能。二是市场对电子产品提出了更高的要求，如必须降低电子系统的成本，减小系统 的体积等，从而对系统的集成度不断提出更高的要求。三是高性能的 EDA 工具得到迅速的发展，其自动化和智能化程度不断提高，为嵌 入式系统设计提供了功能强大的开发环境。四是计算
8、机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的 SOC（Syste m on a Chip）设计提供 了物理基础。FPGA芯片都是特殊的ASI C芯片，除了具有ASI C的特点之外，还具有以下3个优点。1）随着超大规模集成电路（VLSI ，Ve r y Lar ge Scal e I C）工艺的不断提高，单 一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGACPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻 辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。2）FPGACPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片 风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境
9、来完成芯 片的最终功能设计。所以，FPGACPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。3）用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的软件 实现不同的功能。所以，用FPGAi CPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGACPLD 软件包中有各种输入工具和仿真工具及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计 人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。 当电路有少量改动时，更能显示出FPGACPLD的优势。电路设计人员使用FPGACPLD 进行电路设计时，不需要具备专门的I C（集成电路）深层次的知识，FPGACPLD软件 易学易用，可以使
10、设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。通过FPGA器件的发展历程来看，今后仍将朝下以下几个方向发展： 高密度、高速度、宽频带、高保密； 低电压、低功耗、低成本、低价格； I P软/硬核复用、系统集成； 动态可重构以及单片集群； 紧密结合应用需求，多元化发展。3本课题的研究内容II南京师范大学本科生学位论文根据需求分析与系统功能设计目标，结合实际情况本系统功能模块设计分为如下 几个模块：1、车票选择模块：对顾客所需购买车票的选择或者通过输入出站口进行判别票价 选择车票。2、钱币处理模块：对顾客投入的三种钱币（一元、五元、十元）进行计算，算出 投入的总钱数。3、余额计算模块：计算投
11、入钱币是否足够支付进行判断。如果投入金额足够，则 出票并且找零，如果投入金额不足，询问是否继续投币，如果不继续投币，则不出票 并且退款。4、显示功能模块：主要完成显示乘客所选线路、票价、购买票数、投入钱数以及 回找余额。4本课题的实行方案、进度及预期效果1、关键技术：EDA技术，FPGA技术，VHDL语言2、程序实现相关流程： a、选择乘客所购买的票价或者选择出站口由系统决定票价。 b、乘客选择购买票的数量。c、乘客投入钱币。 d、程序计算需要价格与投入价格，二者相比较，如果投入金额大于等于需要金额，则出票找零，如果投入金额小于需要票价，则让顾客继续投币知道金额符合要求，如 若顾客无法投入需要
12、的金额，则系统选择退款，并且返还已投入的钱币。本课题的研究进度参照：2015. 2. 1- - 2015. 2. 28：查找文献资料，对FPGA技术和地铁售票系统有个大体的了 解。对课题中涉及的知识作深入掌握。2015. 3. 1- - 2015. 3. 6：制定研究计划，写开题报告。2015. 3. 7- - 2012. 3. 21：对程序实现过程进行研究，进行初步编程，实现软件的车 票选择模块和钱币处理模块。2015. 3. 22- - 2015. 4. 11：编程，完成软件的金额计算模块和显示功能模块。2015. 4. 12- - 2015. 4. 30: 完成论文初稿。2015. 5.
13、 01- - 2015. 5. 25: 程序修改和完善，验收程序，完成论文定稿，准备答辩 事宜。5、已查阅参考文献： 1 王红，彭亮，于宗光. FPGA现状与发展趋势 J ，电子与封装，2007, 7（7）: 32- 3. 2 方恺晴，徐成，刘峰. 基于EDA技术的教学型CPU的设计与实现 J . 实验技术与管理，2005, 22（9）：41- 43. 3 唐杰, 罗安, 范瑞祥, 贾煜, 一种新型的混合有源滤波器智能集成驱动电III南京师范大学本科生学位论文路. 电力系统自动化, 2006, 30( 7) : 76 - 79. 4 王雯隽基于Ve r i l ong- HDL自动售货机的设计
14、与实现 J 20055 5 边计年, 薛宏熙. 用 VHDL 设计电子线路 M . 北京: 清华大学出版社, 2000 6 阎石数字电子技术基础 M 4版北京：高等教育出版社，1998 7 曾繁泰, 李冰, 李晓林. EDA 工程概论 M . 北京, 清华大学出版社, 2002 8 余世明，晁岳磊，缪仁将自动售货机研究现状及展望 J 中国工程科学，2008. 9 袁亚恒，周伟基于VHDL的自动售货机设计 J 武汉理工大学学报，2007. 10潘松，FGPA/CPDL 在电子设计中的应用前景.电子技术应用.1999 年,N0.7:6-.8 11黄再银，FGPA 的工作原理及其应用.电子世界.20
15、03 年,第 2 期:47-49 12王晓勇，FGPA 的基本原理及运用，舰船电子工程.2005 年,第 2 期:82-85 13邱腾禄，FPGA、DDS 理论研究及在电子技术教学实验中的应用:(硕士学位论文).西北工业大学,2001 年.14吕宇,吴嗣亮.DSP+FPGA 实时信号处理系统中 FPGA 设计的关键问题.微计算机信 息.2005 年,第 21 卷第 5 期:16-19.15徐志军,徐光辉.CPLD/FPGA 的开发与应用.北京:电子工业出版社,2002 年. 16赵雅兴.FPGA 原理设计与应用.天津:天津大学出版社,1999 年. 17李宏,李保周.FGPA 应用技术.山东电子.1999 年,第 4 期:14-15.
