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温州大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告本科毕业设计（论文）开题报告(2013届)题目：基于FPGA的数字频率计设计5温州大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告分院:信息工程分院专业:电子信息工程班级:09电子本1姓名:林晨赟学号:09303033136指导老师:李正勤完成时间:2012年10月5 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告温州大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告基于FPGA的数字频率计设计研究的背景和意义随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和完善的设计技术。目前数字频率计的设计可以直接面向用户需求，根据系统的行为和功能要求，自上至下的逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。上述设计过程除了系统行为和功能描述以外，其余所有的设计过程几乎都可以用计算机来自动地完成，也就是说做到了电子设计自动化（EDA）。这样做可以大大地缩短系统的设计周期，以适应当今品种多、批量小的电子市场的需求，提高产品的竞争能力。电子设计自动化（EDA）的关键技术之一是要求用形式化方法来描述数字系统的硬件电路，即要用所谓硬件描述语言来描述硬件电路。所以硬件描述语言及相关的仿真、综合等技术的研究是当今电子设计自动化领域的一个重要课题。硬件描述语言的发展至今已有几十年的历史，并已成功地应用到系统的仿真、验证和设计综合等方面。到本世纪80年代后期，已出现了上百种的硬件描述语言，它们对设计自动化起到了促进和推动作用。但是，它们大多各自针对特定设计领域，没有统一的标准，从而使一般用户难以使用。广大用户所期盼的是一种面向设计的多层次、多领域且得到一致认同的标准的硬件描述语言。80年代后期由美国国防部开发的VHDL语言（VHSICHardwareDescriptionLanguage）恰好满足了上述这样的要求，并在1987年12月由IEEE标准化（定为IEEEstd1076--1987标准，1993年进一步修订，被定为ANSI/IEEEstd1076--1993标准）。它的出现为电子设计自动化（EDA）的普及和推广奠定了坚实的基础。据1991年有关统计表明，VHDL语言业已被广大设计者所接受。另外，众多的CAD厂商也纷纷使自己新开发的电子设计软件与VHDL语言兼容。由此可见，使用VHDL语言来设计数字系统是电子设计技术的大势所趋。研究内容和拟解决的关键问题随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,特别是单片微机的出现和发展,使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化,5 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告形成一种完全突破传统概念的新一代测量仪器。频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路,使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。传统的频率计测量误差较大,等精度频率计以其测量准确、精度高、方便等优势将得到广泛的应用。传统的测频方法有直接测频法和测周法,在一定的闸门时间内计数,门控信号和被测信号不同步,计数值会产生一个脉冲的误差。等精度测频法采用门控信号和被测信号同步,消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差。等精度频率测量方法消除了量化误差,可以在整个测试频段内保持高精度不变,其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。采用单片机作为控制核心的等精度频率计,可以充分利用单片机软件编程技术实现等精度测频。通过单片机对同步门的控制,使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量,为了提高精度,将电子计数功能转为测周期,采用多周期同步测量技术,实现等精度测量。在这种方法下，我们可以将单片机换成现场可编程门阵列FPGA，以FPGA作为控制核心的等精度频率计可以达到比单片机更高的精度，这是由于FPGA拥有更高的晶体振荡频率。研究方案及措施基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的变化而变化。传统的直接测频法其测量精度将随被测信号频率的降低而降低,测周法的测量精度将随被测信号频率的升高而降低,在实用中有较大的局限性,而等精度频率计不但具有较高的测量精度,而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。键盘、LED数码显示T0P0P1.2T1P1.1P1.0计数器1计数器2同步门控制10MHz时基信号主门2主门1输入通道AT89C52fxf0图1等精度频率测量原理图5 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告等精度频率的测量原理图1所示。频率为fx的被测信号经通道滤波、放大、整形后输入到同步门控制电路和主门1(闸门),晶体振荡器的输出信号作为标准信号(时基信号)输入到主门2。被测信号在同步控制门的作用下,产生一个与被测信号同步的闸门信号,被测信号与标准信号(时基信号)在同步门控制信号的控制下。在同步门打开时通过同步门分别输入到事件计数器和时间计数器的信号输入端,计数器开始计数。同步门关闭时信号不能通过主门,计数器停止计数,单片机发出命令读入计数器的数值,并进行数据处理,将处理后的结果送显示。等精度频率测量方法是采用多周期同步测量。如图1的测量原理图所示由单片机发出预置门控信号GATE,GATE的时间宽度对测频精度影响较少,可以在较大的范围内选择,即在高频段时,闸门时间较短;低频时闸门时间较长。实现了全范围等精度测量,减少了低频测量的误差。在同步门的控制下,一方面保证了被测信号和时基信号的同步测量;另一方面在同步门打开后计数器并不是马上计数,而是在被测信号的下一个上升沿开始计数,同步门关闭后计数器也不是马上停止计数,而是在被测信号的下一个上升沿停止计数。即在实际闸门时间计数,从而提高了测量精度。由于采用D触发器实现的同步门的同步作用,事件计数器所记录的Nx值已不存在误差的影响,但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系,时间计数器所记录的N0的值仍存在±1误差的影响,只是由于时钟频率很高,误差的影响很小。所以在全频段的测量精度是均衡的,从而实现等精度频率测量。方案实施硬件电路设计等精度测频的硬件电路主要由以下几部分组成:单片机控制部分、同步门控制电路、计数和键盘与显示电路。单片机控制部分主要完成测量过程的控制、测量结果的处理和显示。同步门控制电路主要由D触发器74LS74(同步门控制)、六反相器74LS04和二输入或非门74LS02组成。计数器包括事件计数器和时间计数器两部分,它们是两组完全相同的计数电路。键盘与数码显示部分主要完成测量功能的选择和测量频率的数据显示。单片机选用AT89C52,其中P1.0用于控制同步门D触发器74LS74产生同步的闸门信号,P1.2用于对74LS393组成的计数器清零,一次计数完成后单片机通过控制两片74LS244读取被测信号与标准信号的低8位计数值,高位计数值在单片机的T0、T1中。然后单片机对计数值进行运算处理,并送出显示。AT89C52P1.3、P1.4、P1.5和P1.65 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告用于和串行接口8位LED数码管及键盘控制芯片HD7279A的连接,控制和管理键盘及显示。同步门控制电路主要由D触发器74LS74(同步门控制)、六反相器74LS04和二输入或非门74LS02组成(主门1、主门2)。主门1控制被测信号fx的通过,主门2控制时钟信号f0的通过,两门的启闭都由同步门控制电路控制。计数器包括事件计数器和时间计数器两部分,它们是两组完全相同的计数电路。分别由前后两级组成。前级由双4位异步计数器74LS393级联构成八位二进制计数器;后级由AT89C52单片机内的定时/计数器构成十六位二进制计数器。标准信号部分采用10MHz石英晶体振荡器来提供测量所需要的标准脉冲信号。键盘与数码显示部分采用串行接口方式8位LED数码管及64键键盘管理芯片HD7279A与单片机连接,驱动八位LED共阴极数码管和键盘接口,键盘与数码显示部分主要完成测量功能的选择和测量频率的数据显示。软件设计系统软件的设计主要是和硬件电路相结合,正确地实现等精度测量。整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构方式,将各个功能分成独立模块,由系统的程序统一管理执行。它主要完成各种功能,如测量、数据运算、显示等。本频率计设计采用自适应时标选择方式,根据待测信号的频率大小,采用模糊集合算法,得到合适的控制时标,以满足测量精度和测量反应速度综合指标要求.软件程序采用模块化设计技术,设计思想清晰明了,为以后系统在功能上的开发提供了支持,也为用户将此频率计软件直接嵌入到用户系统中提供了方便。同时注意了程序执行顺序细节上的偏差,消除了测量过程引起的相对误差。参考文献[1]李宝营、赵永生、祖龙起、牛悦苓.《基于单片机的等精度频率计设计》.中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与SOC）.2007年第23卷第9-2期[2]莫琳.《基于FPGA的等精度频率计的设计与实现》.《现代电子技术》2004年第10期总第177期[3]邵祥兵、赵建峰.《基于AT89C2051的智能频率计设计》.南京工程学院学报（自然科学版）第2卷第4期[4]张兆莉、蔡永泉、王珏.《基于FPGA的数字频率计的设计与实施》5 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告[5]付丽辉、周西峰.《信号与系统》[6]陈一新.《基于单片机的等精度数字频率装置的原理及实现》.《国外电子元器件》.2002年第4期[7]Liufengge.MCS-51microcontrollerclockcircuit[J].HezheNormaljuniorcollegejournal,Vol.25,2003,pp.87-88[8]J.Hu,C.Meinel.PortablereliableandsafeITsecuritytraining,Computer&SecurityVol-ume.23,pp.282-289,20045
