基于FPGA的空调控制毕业设计毕业设计论文.doc
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TheapplicationandresearchofPLD
第1章绪论
1.1课题的背景和意义
当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，数字集成电路本身在不断地进行更新换代。
它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路（VLSIC，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集电路。
但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务己不完全由半导体厂商来独立承担。
系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。
大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路，电子设计工程师利用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短产品的上市时间，降低了开发成本。
此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改，这样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。
由于具备上述两方面的特点，CPLD和FPGA受到了世界范围内广大电子设计工程师们的普遍欢迎，应用日益广泛。
目前已有单片可用门数超过数百万门、工作频率可达500MHz以上的可编程ASIC芯片问世，由于工艺和结构的不断改进，可编程ASIC芯片上包含的资源越来越丰富，可实现的功能越来越强，他们己成为当今实现电子系统集成化的重要手段。
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。
PLD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ASIC提供了技术和物质条件。
PLD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，PLD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。
而可编程逻辑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可编程逻辑器件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PLD这一族器件进行全面细致的分析研究，从而更好地利用PLD的优势为电子设计服务。
1.2课题的内容及方法
本文主要介绍了可编程逻辑器件在数字系统设计中的应用，本文研究的脉络是以可编程逻辑器件的主要应用特性为主线，分析可编程逻辑器件应用研究的必要性和现实意义;探讨可编程逻辑器件结构特点上以及在数字系统设计中与传统电子器件的区别;比较主要的PLD大公司的产品、设计工具和编程语言，分析各公司产品的优势和不足。
同时本文以基于FPGA的空调温度控制系统设计为实例，比较形象地展现了可编程逻辑器件在数字系统设计中的特点和优势。
同时也使的对可编程逻辑器件的应用研究具体形象。
1.3论文结构安排
本文一共分为七章，各章的内容如下：
第一章介绍了课题研究的背景和意义，以及本课题的主要类容和研究方法。
第二章对可编程逻辑器件的发展了历程、结构、分类、应用前景、发展新趋势以及各主要PLD公司的系列产品的特点等做了比较细致的介绍和分析。
第三章对可编程逻辑器件具体的应用实例“基于FPGA的空调温度控制系统”做一个方案论证，通过与一个用单片机为核心芯片来进行设计的方案进行比较，使得用可编程逻辑器件来进行系统设计具有的优越性直观并具有很强的说服力。
第四章对空调温度控制系统进行硬件电路的设计。
第五章进行系统软件设计，将整个系统分为若干个分模块来实现所需要的各种功能。
第六章对软硬件进行系统联调开验证设计是否合理成功。
第七章对本次设计进行总结，并指出其中有待于完善之处。
第2章可编程逻辑器件
可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）是一类半定制的通用性器件，用户可以通过对PLD器件进行编程来实现所需的逻辑功能。
与专用集成电路ASIC相比，PLD具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势，因而得到了广泛应用，各项相关技术也迅速发展起来，PLD目前已经成为数字系统设计的重要硬件基础。
说到PLD的应用就不得不说到EDA技术和VHDL语言，因为PLD的应用是离不开EDA技术和VHDL语言的支持。
下面分别对这三个部分进行介绍。
2.1可编程逻辑器件介绍
2.1.1PLD的发展历程
从可编程逻辑器件的发展历史上看，其主要经历了从PROM、PLA、PAL、EPLD到CPLD和FPGA的发展过程。
它在结构、制造工艺、集成度、逻辑功能、速度和功耗上都有了很大的提高和改进。
通常，可编程逻辑器件的发展历史如下：
1.20世纪70年代，采用熔丝编程的PROM和PLA器件可以称作是最早的可编程逻辑器件，它可以根据用户的需要写入响应的信息来完成一次逻辑功能。
但由于熔丝烧断后不能再次接通，因此这时的器件编程是一次性的，写入后不能修改。
2.20世纪70年代末，MMI公司率先推出了一种新的可编程逻辑器件PAL，他也采用双极性型工业制作，熔丝编程方式。
从逻辑特性上来看，PAL器件不如PLA器件那样灵活和方便，但是它成本低、价格便宜、编程方便、编程器也较为便宜，另外它还具有保密位来防止非法读出，因此在当时获得广泛的应用。
3.20世纪80年代初、，Lattice公司推出了一种新型的可编程逻辑器件GAL，它克服了PAL的缺点应用起来更加灵活方便。
GAL采用电可擦除的CMOS工艺制作，采用电压信号可以擦除原来的信息从新进行编程操作。
另外，GAL器件的输出断口设置了可编程的输出逻辑宏单元（OLMC），设计人员通过编程可以将OLMC设置成不同的工作状态。
这样采用同一型号的GAL器件来实现PAL器件的各种电路输出工作方式，大大提高了器件的通用性。
4.20世纪80年代中期，Xilinx公司推出了现场可编程的概念。
同时生产了世界上的第一片FPGA器件。
FPGA的编程方式与PAL和GAL器件大为不同，它不是通过专门的编程器来完成的。
通常，它的设计过程是利用一套专用的设计软件来完成的，最后生成一个用来对FPGA进行编程的文件。
一般来说，FPGA的编程信息会存储在专用的RAM中，这样上电后外部RAM中的编程信息将会传到器件中的静态中，从而实现相应功能。
同一时期，Altrea公司推出了它的新一代可编程逻辑器件EPLD，它采用UVEPROM和EEPROM工艺制作，同时集成度要比PAL和GAL高的多，其产品多半属于高密度的可编程逻辑器件。
5.20世纪80年代末，Lattice公司又提出了在系统可编程逻辑技术，同时推出了一系列有在系统可编程能力的CPLD。
与EPLD相比，CPLD规模更大，结构更复杂，能够完成较为复杂的系统功能设计。
6.20世纪90年代后，可编程逻辑器件进入到飞速发展的阶段。
在生产工艺方面，可编程逻辑器件的线宽越来越小，集成门数越来越大，功耗越来越低；在具体的器件编程方面，EEPROM逐渐取代了UVEPROM工艺，同时FPGA的现场可编程技术和CPLD的在系统可编程技术似的可编程逻辑器件在使用上更加的方便；在测试技术方面，可编程逻辑器件大多数均可采用边界扫描测试技术，大大加强了器件、电路板和系统的可测试性；在逻辑功能上，可编程逻辑器件内部嵌有微处理器，大大提高了器件的逻辑功能和处理能力。
2.1.2可编程逻辑器件的结构
PLD基本结构
：
PLD的基本结构如图所示，由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等4部分组成。
其中与阵列和或阵列是PLD器件的主体，逻辑函数靠它们实现；输入缓冲电路主要对输入寻好进行预处理和提供足够驱动力。
PLD有多种输出方式，可以由或阵列直接输出。
也可以通过寄存器输出，并且可以将输出信号反馈到与阵列输入端。
新型的PLD则将输出电路做成宏单元，使用户可以根据需要选择各种灵活的输出方式。
目前使用最广泛的可编程逻辑器件是CPLD和FPGA。
CPLD：
早期的CPLD主要用来代替PAL器件，所以其结构与PAL、GAL基本相同，采用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。
在此基础上增加了一个全局共享的可编程与阵列，把多个宏单元连接起来。
另外，I/O控制模板的数量和功能都有了进一不的提高。
目前主要的半导体公司，如Xilinx、AlteraLattice和AMD公司等，虽然在各自生产的高密度PLD产品中都有自己的特点，但总体结构大致相同。
大多数的EPLD、CPLD器件中至少包括3中结构：
可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线。
CPLD为避免熔丝编程的一次性局限采用浮栅编程技术，包括紫外线擦除、电编程的EPROM工艺，电擦除、电编程的EEPROM工艺和Flash工艺。
FPGA：
各种FPGA在结构上的差异主要反映在可编程逻辑快CLB上，常见的结构主要有查找表结构、多路开关结构和多级与非门结构3种类型。
查找表型可编程逻辑快是查找表，由查找表构成函数发生器，通过查找表来实现逻辑函数。
在多路开关型FPGA中，可编程模块是可配置的多路开关，利用多路开关的特性对多路的输入和选择信号进行配置，接固定电平或输入信号上，从而实现不同逻辑功能。
采用多级与非门结构的器件是Altera公司的FPGA。
Altera公司的与非门结构基于一个由与门、或和异或门组成的逻辑快。
这个基本电路可以用一个触发器和一个多路开关来扩充。
多路开关选择组合逻辑输出、寄存器输出或锁存器输出。
异或门用语增强逻辑块的功能，当异或门输入端分离时，它的作用相当与或门，可以形成更大的或函数，用来实现其他的算术功能。
FPGA一般由可编程逻辑模块（CLB）、输入/输出模块、可编程互连资源（IR）和一个用于存放编程数据的静态存储器SRAM组成。
[7]
在FPGA中，常用的编程工艺有反熔丝和SRAM两类。
反熔丝工艺占用面积小，有利于提高芯片集成度但需要专门的编程器，且只能进行一次性编程。
SRAM工艺可重复编程，芯片价格可相应降低，但存在芯片一旦断电数据就会丢失的缺点，在使用时往往需要外附一个PROM或EPROM，从而增加了成本和体积。
2.1.3可编程逻辑器件的分类
随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件品种越来越多，型号越来越复杂。
每种器件有自己的特征，不同器件之间也存在许多共同点。
因此了解PLD分类情况，对于正确选用PLD是很重要的。
目前PLD尚无严格的划分标准，下面仅从集成度、可编程原理及结构特点三方面对PLD进行简单的分类。
★按集成度分：
PLD从集成密度可分为低密度可编程逻辑器件（LDPLD）和高密度可编程逻辑器件（HDPLD）两类。
通常，当PLD中的等效门数超过500门时，则认为它是高密度。
其具体的划分如下图：
PLD
LDPLD
HDPLD
PLA
PAL
GAL
CPLD
EPLD
FPGA
PROMMMM
★按可编程原理分类：
从可编程特性上可以将PLD分成一次性编程和重复可编程两类。
一次性可编程的典型产品是PROM、PAL和熔丝型FPGA，其他的可编程产品大多是重复可编程的。
一次性可编程器件的优点是集成度高、工作频率而后可靠性高、抗干扰能力强。
而重复可编程器件的优点是可多次修改设计，特别适用与系统样机的研制。
可编程逻辑器件的编程信息均存储在可编程元件中，根据可编程元件的结构和编程方式，又可分为4类：
采用一次性可变成的熔丝或反熔丝元件的可编程器件，采用紫外线擦除、电可编程的EPROM工艺结构的可编程器件，采用电可擦除、电可编程的EEPROM工艺结构的可变成器件，基于静态存储器SRAM结构的器件。
★按结构特点分类：
目前常用的可编程逻辑器件都是从与阵列、或阵列和门阵列发展起来的，所以可以从结构上将其分为两大类。
1.阵列型PLD
阵列型PLD的基本结构由与阵列和或阵列组成。
简单PLD（PROM、PLA、PAL和GAL、EPLD、和CPLD都属于阵列型PLD。
2.现场可编程门阵列FPGA
FPGA具有门阵列的结构形式，它是由许多可编程逻辑单元（或逻辑功能块）排成阵列组成的，这些逻辑单元的结构和与阵列、或阵列的结构不同，所以也将FPGA称为单元型PLD。
2.1.4可编程逻辑器件的应用
可编程逻辑器件在电子领域的应用主要有两方面：
1.PLD在ASIC设计中的应用
把一个有专用目的，并具有一定规模的电路或子统集成化而设计在一芯片上，这就是专用集成电路ASIC的设计任务，通常ASIC的设计要么采用全定制电路设计方法，要么采用半定制电路设计方法进行检验，若不满足要求，还要重新设计再进行验证。
这样，不但开发费用高，而且设计开发周期长，因此设计出的产品性价比不高，显然，产品没有市场竞争力，自然就降低了产品的生命周期，而对于传统的ASIC设计方法来说，这又是不可避免的。
随着设计方法的不断完善，不仅需要简化设计过程，而且，越来越需要降低系统体积和成本，提高系统的可靠性，缩短研制周期，于是希望有一种由很多厂家都可提供的，具有一定连线的结构和已封装好的全功能的标准电路。
由于共同性强，用量大，所以成本也不高。
这种器件可以由用户根据需要自行完成编程设计工作，用某种编程技术自己“烧制”使内部电路结构实现再连接，也就是说用户既是使用者又是设计者和制造者，这种器件就是PLD，它的引入就形成了半定制电路设计方法的可编程ASIC.目前，HDPLD有两种用途：
一是用于最终产品；一是用于ASIC化的前道工序的开发试制品。
CPLD/FPGA在国际上现已成为很流行的标准化IC芯片，从我国的国情来看，将CPLD/FPGA用于ASIC原形设计会得到大力推广。
2.基于EDA的CPLD/FPGA应用
电子产品的高度集成数字化是必由之路，我国的电子设计技术经过了SSI和MCU阶段，现在又面临一次新突破即CPLD/FPGA在EDA基础上的广泛应用。
如果说MCU在逻辑的实现上是无限的话，那么CPLD/FPGA不但包括了MCU这一特点，而且可触及硅片电路的物理界限，并兼有串、并行工作方式，高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点。
不但如此，随着EDA技术的发展和CPLD/FPGA在深亚微米领域的应用，它们与MCU、MPU、DSP、A/D、D/A、RAM及ROM等器件间物理与功能界限已日益模糊。
特别是软/硬IP芯核产业的迅速发展，嵌入式通用及标准FPGA器件，片上系统（SOC），1999年底已经上市。
CPLD/FPGA以其不可替代的地位以及伴随而来的具有经济特征的IP芯核产业的崛起，正越来越受到业内人士的观注。
[9]
基于EDA技术的发展，CPLD/PFGA与其他MCU相比，其优点越来越明显。
CPLD/FPGA产品采用先进的JTAG-ISP和在系统配制编程，这种编程方式可轻易地实现红外线编程、超声编程或无线编程，或通过电话线远程编程，编程方式简便、先进。
这些功能在工控、智能仪表、通信和军事上有特别用途。
[10]
2.1.5可编程器件的前景及趋势
CPLD/FPGA的设计开发采用功能强大的EDA工具，通过符合国际标准的硬件描述语言（如VHDL或VERILOG-HDL）来进行电子系统设计和产品开发，开发工具的通用性，设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的CPLD/FPGA器件的硬件结构没有关系，所以设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性，开发周期短；易学易用，开发便捷。
目前PLD/CPLD约占全球市场规模的6成，但今后FPGA的比重将日益增大。
可编程逻辑器件一开始主要用于通信领域，目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。
它的优势在于缩短开发生产周期，现场灵活性好，适于少量生产，不足之处是价格昂贵，适用于中小批量生产，随着微细化的进步，芯片面积缩小，价格迅速下降，市场发展加快，可以预言我国的EDA技术学习和CPLD/FPGA的应用热潮决不会逊色于过去10年的单片机热潮。
目前可编程逻辑器件的发展趋势主要体现在以下几点：
低密度PLD在一定时间内还将存在一定时期；高密度PLD继续向更高密度，更大容量迈进；IP内核得到进一步发展。
具体体现在：
1.PLD正在由点5V电压向低电压3.3V甚至2.5v器件演进，这样有利于降低功耗。
2.ASCI和PLD出现相互融合。
标准逻辑ASIC芯片尺寸小、功能强大、不耗电，但设计复杂，并且有批量要求；而可编程逻辑器件价格较低廉，能在现场进行编程，但它们体积大、能力有限，而功耗比ASIC大。
因此，从市场发展的情况看FPGA和ASIC正逐步走到一起来，互相融合，取长补短。
3.ASIC和FPGA之间的界限正变得模糊。
系统级芯片不仅集成RAM和微处理器，也集成FPGA。
随着ASIC制造商向下发展和FPGA的向上发展，在CPLD/FPGA之间正在诞生一种“杂交”产品，以满足降低成本和尽快上市的要求。
4.价格不断降低。
随着芯片生产工艺的不断进步，如深亚微米0.13um工艺已经成熟，芯片线宽的不断减少使芯片的集成度不断提高。
Die（裸片）面积大小是产品价格高低的重要因素，线宽的减小必将大大降低了PLD产品的价格。
5.集成度不断提高。
微细化新工艺的推出以及市场的需要是集成度不断提高的基础和动力。
许多公司在新技术的推动下，产品集成度迅速提高，尤其是最近几年的迅速发展，其集成度已经达到了1000万门，现在有的PLD则达到了几百万系统门甚至一千万系统门。
6.向系统级发展。
集成度的不断提高使得产品的性能不断的提高，功能不断增多。
最早的PLD仅仅能够实现一些简单的逻辑功能，而现在已经逐渐把DSP、MCU、存储器及应用接口等集成到PLD中，使得PLD功能大大增强，并逐渐对准了可编程逻辑器上系统集成SOPC（SystemOnaProgrammableChip）。
可以预见未来的一块电路版上可能只有两部分电路：
模拟部分（包括电源）和一块PLD芯片，最多还有一些大容量的存储器。
[12]
2.2EDA技术
EDA是电子设计自动化（ElectronicsDesignAutomatiom）的缩写。
它是随着集成电路和计算机技术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。
EDA技术经历了三个发展阶段，即：
20世纪70年代发展起来的CAD技术；20世纪80年代开始应用的CAE技术；20世纪90年代后期，出现的以硬件描述语言、系统级仿真和综合技术为特征的EDA技术，这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设计构思手段。
EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方法设计电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。
[13]
EDA技术涉及面广，内容丰富，从教学和实用的角度看，主要有以下四个方面内容：
（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表达手段；软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化、自动化设计工具；实验开发系统是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。
EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。
Synopsys、entorGraphicsCadence是EDA工具软件厂商三巨头。
目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：
Protel、PSPICE、multiSIM7（原EWB的最新版本）、OrCAD、PCAD、、LSIIogic、MicroSim，ISE，modelsim等等。
这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。
[14]
2.3VHDL语言
VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,诞生于1982年。
它在80年代的后期出现。
最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。
1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。
除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。
[15]
2.3.1VHDL的特点
应用VHDL进行系统设计，有以下几方面的特点。
1.功能强大
VHDL具有功能强大的语言结构。
它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。
并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成。
VHDL是一种设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。
2.可移植性
VHDL语言是一个标准语言，其设计描述可以为不同的EDA工具支持。
它可以从一个仿真工具移植到另一个仿真工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一个工作平台移植到另一个工作平台。
此外，通过更换库再重新综合很容易移植为ASIC设计。
3.独立性
VHDL的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。
设计者可以不懂硬件的结构，也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。
程序设计的硬件目标器件有广阔的选择范围，可以是各系列的CPLD、FPGA及各种门阵列器件。
4.可操作性
由于VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于已完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变端口类属参量或函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。
5.灵活性
VHDL最初是作为一种仿真标准格式出现的，有着丰富的仿真语句和库函数。
使其在任何大系统的设计中，随时可对设计进行仿真模拟。
所以，即使在远离门级的高层次（即使设计尚未完成时），设计者就能够对整个工程设计的结构和功能的可行性进行查验，并做出决策。
2.3.2VHDL的设计步骤
采用VHDL的系统设计，一般有以下6个步骤。
●要求的功能模块划分；
●VHDL的设计描述（设计输入）；
●代码仿真模拟（前仿真）；
●计综合、优化和布局布线；
●布局布线后的仿真模拟（后仿真）；
●设计的实现（下载到目标器件）。
2.3.3VHDL描述风格
设计实体的逻辑功能由VHDL的结构体具体描述。
用户可以使用不同程度的语句类型和抽象方式来描述不同程度的设计。
例如系统级的、板级的、芯片级的或者模块级的设计。
对于相同的逻辑行为可以有不同的语句表达方式。
在VHDL结构体中这种不同的描述方式或者说建模方法，通常可归纳为行为（Behavioral）级描述、数据流（Dataflow）级描述和结构（Structural）级描述。
[16]
第3章系统及硬件电路设计
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