基于CPLD的溫濕度測量和控制電路設(shè)計及其ASIC實現(xiàn)

電氣自動化論文編號:ZD457  論文字數(shù):33870,頁數(shù):81，有開題報告，任務(wù)書，文獻綜述

目　錄
摘要…………………………………………………………………………………………III
Abstract………………………………………………………………………………………IV
第一章 緒論…………………………………………………………………………………1
 1.1 溫濕度計的發(fā)展……………………………………………………………………1
 1.2 溫濕度測控領(lǐng)域的現(xiàn)狀……………………………………………………………2
 1.3 MAXPLUSII簡介………………………………………………………………2
 1.4 本論文的目標………………………………………………………………3
第二章 ASIC設(shè)計流程概述……………………………………………………………………4
 2.1 硬件描述語言………………………………………………………………………5
 2.2 CPLD硬件實現(xiàn)……………………………………………………………………6
    2.3 ASIC硬件實現(xiàn)……………………………………………………………………6
 2.4版圖設(shè)計………………………………………………………………………7
 2.5 版圖驗證 ……………………………………………………………………………7   

2.5.1  DRC檢查……………………………………………………………………7
 2.5.2 LVS檢查……………………………………………………………8
    2.6  小結(jié)…………………………………………………………………………………9
第三章 溫濕度測量控制電路原理………………………………………………………9
    3.1 基本原理…………………………………………………………………………10
 3.2 RC振蕩電路……………………………………………………………………11
 3.3 采樣電路……………………………………………………………………12
 3.3.1 采樣計數(shù)器…………………………………………………………………13
 3.3.2 N的確定………………………………………………………………13
 3.3.3 基準計數(shù)器的字長…………………………………………………………13
 3.3.4 有限狀態(tài)機…………………………………………………………………14
 3.4 ROM映射電路……………………………………………………………………15
 3.5 誤差分析 ………………………………………………………………………16
     3.5.1外接元件數(shù)值隨時間變化…………………………………………………16
     3.5.2 外接元件的誤差………………………………………………………17
     3.5.3傳感器隨時間的變化 ……………………………………………………17
     3.5.4傳感器的離散 ……………………………………………………………17
 3.6控制電路……………………………………………………………………………19
 3.7溫濕度測量控制總電路……………………………………………………………20
 3.8 系統(tǒng)電源的電路設(shè)計…………………………………………………………21
 3.9  其它外圍接口電路的設(shè)計………………………………………………………21
 3.9.1ED七段譯碼顯示器………………………………………………………23
 3.9.2報警器………………………………………………………………………24
 3.9.3高速數(shù)字光電耦合器HCPL-260L/060L…………………………………24
 3.10 硬件總體設(shè)計與連接……………………………………………………………25
 3.11 小結(jié) ………………………………………………………………………………25 
第四章 ASIC設(shè)計及其實現(xiàn)…………………………………………………………………25
 4.1  HDL代碼設(shè)計…………………………………………………………26
 4.1.1 采樣模塊…………………………………………………………………26
 4.1.2  映射模塊……………………………………………………………………28
 4.1.3  控制模塊……………………………………………………………………29
 4.1.4小結(jié)……………………………………………………………………………30
 4.2  基于ASIC的邏輯綜合……………………………………………………………30
   4.2.1 綜合工具介紹…………………………………………………………………30
   4.2.2 仿真結(jié)果………………………………………………………………………31
   4.2.3 小結(jié)……………………………………………………………………………33
 4.3 基于ASIC的自動布局布線 ………………………………………………………33
   4.3.1 自動布局布線工具介紹………………………………………………………34
 4.3.2仿真結(jié)果 ………………………………………………………………………35
 4.3.3 小結(jié)……………………………………………………………………………38
 4.4 版圖的生成…………………………………………………………………………38
 4.5 小結(jié)…………………………………………………………………………………38
第五章 芯片測試……………………………………………………………………………38
 5.1 芯片介紹……………………………………………………………………………39
 5.2 測試系統(tǒng)……………………………………………………………………………39
 5.3 測試結(jié)果……………………………………………………………………………39
 5.3.1振蕩電路的測試 ………………………………………………………………39
 5.3.2 溫濕度的測量…………………………………………………………………40
 5.3.3 溫濕度的控制…………………………………………………………………40
 5.3.4 溫度的校準……………………………………………………………………41
 5.4 存在問題及其解決構(gòu)想 ……………………………………………………………43
 5.5 小結(jié) …………………………………………………………………………………45
參考文獻……………………………………………………………………………46
總結(jié)與致謝…………………………………………………………………………………48
附錄I…………………………………………………………………………………………49
 1.1基于CPLD的實現(xiàn)……………………………………………………………………49
 1.1.1采樣模塊…………………………………………………………………………50
 1.1.2 ROM映射模塊 …………………………………………………………………52
 1.1.3控制模塊…………………………………………………………………………53
 1.1.4說明及總結(jié)………………………………………………………………………54
 1.2基于CPLD的硬件仿真………………………………………………………………54
 1.2.1基于施密特觸發(fā)器振蕩電路的替代電路………………………………………55
 1.2.2溫濕度定標………………………………………………………………………56
 1.2.3小結(jié)………………………………………………………………………………56
附錄II…………………………………………………………………………………………57
 2各子模塊源程序及其分析 ……………………………………………………………57
附錄A：CPLD各個模塊連接圖………………………………………………72

摘  要
 在許多場合，及時準確地獲得目標的溫度、濕度信息是十分重要的。近年來溫濕度測控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的蓬勃發(fā)展，溫濕度的測控芯片也就相應(yīng)地登上了歷史的舞臺，能夠在工業(yè)農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。
    針對此領(lǐng)域中的發(fā)展方向，作者設(shè)計開發(fā)了一種運用數(shù)模混合信號，集溫度、濕度測量和控制于一體的IC芯片。在前端運用基于施密特觸發(fā)器為基礎(chǔ)的松弛振蕩器把溫、濕度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為頻率的信號，從而把溫度和濕度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電路可以處理的頻率信號的變化。采用等時采樣方案及存放在只讀存儲器(ROM)中的數(shù)據(jù)，可以把來自施密特觸發(fā)器的頻率信號映射到實際溫度和濕度;分析了在溫度和濕度測量中碰到的不同的誤差并提出了相應(yīng)的校正方案:還根據(jù)實際需要加入了控制模塊，實現(xiàn)了集溫度和濕度測量、控制于一體的電路;針對掉電問題采取了相應(yīng)的措施，使用EEPROM來存儲控制所設(shè)置的值，從而減少了煩瑣的重新設(shè)置操作。
 作者使用硬件描述語言VHDL進行設(shè)計開發(fā)，在通過Xilinx Foundation的綜合和軟件模擬以及Xilinx4000XL可編程邏輯器件的硬件仿真的基礎(chǔ)上，運用Synopsis和Cadence的EDA工具進行ASIC實現(xiàn)，采用無錫上華公司的庫單元及0.6um雙層多晶、雙層鋁標準CMOS工藝，在通過了版圖后仿真之后進行了流片及測試，芯片的測試結(jié)果基本上達到了設(shè)計需求溫度的測量范圍為0~99,精度為±1;濕度的測量范圍為50%RH---90%RH，精度為±10%RH ;能實現(xiàn)溫濕度上下限的設(shè)置及實現(xiàn)制冷/加熱(去濕/加濕)的控制。

關(guān)鍵詞：溫濕度測控，傳感器，CPLD仿真，ASIC實現(xiàn)，智能化控制。

Abstract
    In many occasions, it is very important to get the value of temperature and humidity correctly and rapidly. In recetrt years, the field of temperature and humidity's measurement and control (T&H's M&C) is developed quickly arid the chips of T&H's M&C gradually enter the life of people and will be widely used in industry and agriculture.
    In allusion to the direction of this field, we develop a mixed signal, digital chip,which has abilities to measure and control both temperature and humidity. A modified schmitt trigger based relaxation oscillator is used to convert thermistor and hygrometer resistances into a frequency signal .By the way of the same time sampling and data in a ROM(Read Only Memory), the schmitt trigger frequency can be mapped onto temperature and humidity. And then a general control module accomplish the control performance. And an EEPROM is used to store the setting value during controlling.
    An extensive analysis of various errors in temperature and humidity measurement is provided, We design it using VHDL language and finally software simulation using Xilinx Foundation arid hardware emulation using Xilinx XC40110 FPGA are also presented. Using EDA tools such as Synopsis and Cadence to realize it into ASIC. We synthesis this circuit with library cell of Huajing,Wuxi with 0.6um. After post-layout simulation, we taped it out and then test it using our PCB board with the good result.
 The chip can measure temperature to an accuracy of 1 in the range of 0 to 99, while humidity to an accuracy of 10%RH in the range of 50%RH to 90%RH. And after setting the value of max and min of T&H, it can realize the control of caiefaction/refrigeration or dryness/wetness.

 Keywords:  Temperature and humidity's measurement and control (T&H'M&C), Sensor, CPLD Emulation, ASIC Realization, Intellectualized Control