基于FPGA的等精度数字频率计的设计与实现

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摘  要：基于FPGA的等精度数字频率计具有精度高，体积小等优点。本文设计了一个基于FPGA的8位十进制等精度数字频率计，实现00000001 - 99999999HZ计频功能。系统由四个模块组成：计数信号控制器、有时钟使能的十进制计数器、32位锁存器、7段显示译码器。作者运用EDA技术，采用自顶向下的设计思想，在QuartusII 上使用VHDL语言编写功能模块和顶层实体模块，并进行软件功能仿真，最后将其下载到EDA实验箱进行硬件测试，测试结果证明了本系统的正确性。

关键词：数字频率计；直接测频；等精度测频；电子设计自动化；VHDL；
     
Abstract: The equal precision digital cymometer based on FPGA has the advantage of higher precision, smaller size and so on. The paper designs a 8 bit equal precision digital cymometer on FPGA, which can count frequency from 00000001 to 99999999 Hz. The system concludes four modules: the counting signal controller, the decimal counter with clock enable end, 32 bit latches, 7 section display decoders. With using the EDA technology and top_down design concept, the author uses the VHDL language to design functional modules and the top layer entity module on Quartus II. Then the author completes the software function simulations of these modules on Quartus II. Finally the author downloads the system to the EDA experiment box for the hardware test. The test results prove the system's accuracy.
Key words: Digital cymometer;  Direct measurement;  Equal precision measurement; Electronic Design Automation ;  VHDL;

1 前言
1.1 研究意义
随着集成电路技术和EDA(Electronic Design Automatic)技术的不断发展，集设计、模拟、综合和测试功能为一体的VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)语言，已作为IEEE标准化的硬件描述语言。由于其在语法和风格上类似于现代高级汇编语言，具有良好的可读性，描述能力强，设计方法灵活，易于修改，又具有可移植性，可重复利用他人的IP模块(具有知识产权的功能模块)等诸多优势而成为EDA设计方法的首选[1]。VHDL设计是行为级设计，所带来的问题是设计者的设计思考与电路结构相脱节。设计者主要是根据VHDL的语法规则，对系统目标的逻辑行为进行描述，然后通过综合工具进行电路结构的综合、编译和优化，并通过仿真工具进行逻辑功能仿真和系统时延的仿真[4]。
测量频率是电子测量技术中最常见的测量之一。不少物理量的测量, 如时间、速度等都涉及到或本身可转化为频率的测量。目前, 市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计, 但价格昂贵。而在实际工程中, 并不是对所有信号的频率测量都要求达到非常高的精度。基于传统测频原理的频率计的测量精度将随着被测信号频率的下降而降低，在实用中有很大的局限性，而等精度频率计不但有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。
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[2]。
1.2  研究现状
电子产品随着技术的进步，更新换代速度可谓日新月异。EDA技术的应用很好地适应了这一特点。通过设计和编程，由可编程逻辑器件CPLD/FPGA 构成的数字电路．取代了常规的组合和时序逻辑电路。实现了单片化，使体积、重量、功耗减小。提高了可靠性[3]。目前EDA技术在一般的数字系统、数字信号处理系统等领域获得广泛应用。它将成为今后电子设计的主流。

2 EDA技术发展史
20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性[4]。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率，减轻了设计者的劳动强度。由于器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，因而促进了EDA技术的迅速发展。

2.1 VHDL语言简介
VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成电路硬件描述语言）诞生于1982年，是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具，目前已经成为IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers）的一种工业标准硬件描述语言。相比传统的电路系统的设计方法，VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下（Top to Down）和基于库（Library Based）的设计的特点，因此设计者可以不必了解硬件结构。从系统设计入手，在顶层进行系统方框图的划分和结构设计，在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的CPLD器件中去，从而实现可编程的专用集成电路的设计。转贴于 酷文网-论文下载中心 http://www.coolwen.net