畢業(yè)設計（論文）-基于FPGA與色敏傳感器的顏色識別系統(tǒng)（數(shù)字部分） .doc

本科畢業(yè)論文（設計） 題 目 基于 fpga 與色敏傳感器的顏色識別系統(tǒng) （數(shù)字部分） 指導教師 職稱 學生姓名 學號 專 業(yè) 自動化 班級 （1） 院 （系）電子信息工程學院電子工程系 完成時間 i 基于 fpga 與色敏傳感器的顏色識別系統(tǒng)（數(shù)字部分） 摘要 本論文主要介紹了顏色識別系統(tǒng)， 本顏色識別系統(tǒng)主要實現(xiàn)對幾種典型 顏色的自動識別.本設計基于 fpga 與色敏傳感器來實現(xiàn),包括模擬和數(shù)字兩個 主要部分.模擬部分主要負責顏色信號的采集、放大,采集信號使用 cls9032 單 晶硅雙結型色敏傳感器;數(shù)字部分主要負責顏色信號的處理和識別,也是本設計的 核心部分，硬件使用 altera 公司的 niosii 處理器 fpga 系統(tǒng)組建,軟件使用 vhdl 語言編程。數(shù)字部分用到的核心部件是 fpga，不同于單片機。單片機 （如 8051 系統(tǒng)）每條指令都需要 12 個振蕩周期，fpga 只需要 2 個振蕩周期， 所以同樣條件下，fpga 有更快的運行速度，這也是本設計的創(chuàng)新之處。 關鍵詞關鍵詞：顏色傳感器；fpga；vhdl 語言； sensitive sensors based on fpga with color color identification system (digital ii part) abstract this paper introduces color identification system, the primary color identification system to realize the automatic recognition of typical color. the design is based on sopc technology, the use niosii soft-core processor, including analog and digital two main parts. simulate some of the major responsible for the color signal acquisition, amplification, signal acquisition using cls9032 silicon color sensor with double-junction sensor; digital part is mainly responsible for the color signal processing and identification, the hardware using alteras niosii processor system formed, the software programming using vhdl language. digital part of the core component is used in fpga, different from the mcu. microcontroller (such as the 8051 system) each instruction requires 12 oscillation period, fpga only two oscillation period, so the same conditions, fpga with a faster speed, which is also the design innovations. keywords:color sensor ; fpga; vhdl language； 目 錄 iii 摘要i abstractii 第 1 章 緒 論1 第 2 章 eda 技術與 vhdl1 2.1 eda 技術1 2.1.1 eda 技術的含義1 2.1.2 eda 技術的發(fā)展歷史2 2.1.3 eda 技術的基本特征2 2.1.4 eda 技術的主要內容3 2.1.5 eda 技術的設計流程5 2.2 vhdl 硬件描述語言7 2.2.1 vhdl 的特點7 2.2.2 vhdl 語言基礎知識8 第 3 章 色敏傳感器與 fpga 的簡單介紹14 3.1 色敏傳感器14 3.2 fpga15 3.3 a/d16 第四章 基于 fpga 與色敏傳感器的顏色識別系統(tǒng)（數(shù)字部分） 16 4.1 設計原理及工作要求16 4.2 模擬部分17 4.3 數(shù)字部分（重要）17 4.4 altera quartus ii 壞境下的仿真19 結束語20 致謝21 iv 參考文獻22 （附 錄）23 1 第 1 章 緒 論（稍增加一些內容，緒 論中主要寫論文的設計背景，意義，設計內容及預期目標） 在當今的社會生活中，顏色識別得到越來越廣泛的應用。各個領域的廣泛 應用需求使顏色識別技術有了長足的發(fā)展，結合其他技術，可為工業(yè)控制、產 品制造等多個行業(yè)更好地服務。目前，顏色識別技術主要是通過結構簡單、使 用方便的單片機來實現(xiàn)，而本設計選用 fpga 來實現(xiàn)，該系統(tǒng)可應用于印染、 油漆、汽車等行業(yè)，也可以裝在自動生產線上對產品的顏色進行監(jiān)測。這樣選 擇的好處有以下幾點： fpga 芯片是并行運算的，每個振蕩周期都可以執(zhí)行任務，而單片機 (如 8051 系列)的每條指令都需要 12 個振蕩周期。例如，單片機 io 端口的變 化最快也需要 24 個振蕩周期，而 fpga 只需要 2 個振蕩周期，所以同樣的振蕩 周期下，fpga 速度更快。 fpga 有豐富的 io 資源(一般有數(shù)百個 io 口)，容易實現(xiàn)大規(guī)模系 統(tǒng)，可以方便地連接外設(比如多路 ad、da 等)。而單片機的 io 口有 限，要進行仔細的資源分配、總線隔離。 fpga 可以進行硬件重構，在功能擴展或性能改善方面也非常容易。 本設計選用了 altera 公司的：niosli 軟核，使用 sopc 的軟硬件綜合解決 方案。與傳統(tǒng)的設計方法完全不同，從硬件和軟件整體設計上進行了極大的改 進，使硬件電路更加簡單、有效、易于理解，軟件設計更輕松、可移植性更強。 第 2 章 eda 技術與 vhdl（刪減第二章的內容，篇幅不能超 過 4 頁，且第二章不能只介紹 eda 相關的內容，你論文中用到 的傳感器類的相關知識也可以稍微描述一下，總體篇幅要不超 過 4 頁） 2.1 eda 技術 2.1.1 eda 技術的含義 eda 即電子設計自動化，是 electronic design automation 的英文縮寫。其 發(fā)展歷程可分為：（1）手工設計階段（2）早期電子 cad 技術（3）電子設計 自動化(eda)技術（4）soc、esda 設計技術。 （其中 soc：system on a chip，esda：electronic system design automation） 它有廣義和狹義兩種定義方式，其廣義定義范圍包括：半導體工藝設計自 動化、可編程器件設計自動化、電子系統(tǒng)設計自動化、印刷電路板設計自動化、 仿真與測試、故障診斷自動化、形式驗證自動化，這些都通稱為 eda 工程。 2 eda 技術的狹義定義為以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O計載體，以硬件描述 語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規(guī)?？删幊唐骷拈_發(fā)軟 件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設計工具，自動完成用軟件方式描述的電子系統(tǒng)到硬件系 統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、布局布線、邏輯仿真， 直至完成對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形 成集成電子系統(tǒng)或專用集成芯片的一門多學科融合的新技術。 2.1.2 eda 技術的發(fā)展歷史 20 世紀 90 年代，國際上電子和計算機技術較先進的國家，一直在積極探 索新的電子電路設計方法，并在設計方法、工具等方面進行了徹底的變革，取 得了巨大成功。在電子技術設計領域，可編程邏輯器件（如 cpld、fpga）的應 用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設計帶來了極大的靈活性。這 些器件可以通過軟件編程而對其硬件結構和工作方式進行重構，從而使得硬件 的設計可以如同軟件設計那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng) 設計方法、設計過程和設計觀念，促進了 eda 技術的迅速發(fā)展。 eda 是電子設計自動化（electronic design automation）的縮寫，在 20 世紀 90 年代初從計算機輔助設計（cad）、計算機輔助制造（cam）、計算 機輔助測試（cat）和計算機輔助工程（cae）的概念發(fā)展而來的。eda 技術 就是以計算機為工具，設計者在 eda 軟件平臺上，用硬件描述語言 hdl 完成 設計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布 局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等 工作。eda 技術的出現(xiàn)，極大地提高了電路設計的效率和可*性，減輕了設計 者的勞動強度。 2.1.3 eda 技術的基本特征 eda 代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向，它的基本特征是：設計 人員按照“自頂向下”的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，系統(tǒng) 的關鍵電路用一片或幾片專用集成電路（asic）實現(xiàn)，然后采用硬件描述語言 （hdl）完成系統(tǒng)行為級設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件， 這樣的設計方法被稱為高層次的電子設計方法。下面介紹與 eda 基本特征有關 的幾個概念。 1“自頂向下”的設計方法。10 年前，電子設計的基本思路還是選用標準 集成電路“自底向上”地構造出一個新的系統(tǒng)，這樣的設計方法就如同一磚一瓦 建造金字塔，不僅效率低、成本高而且容易出錯。 高層次設計是一種“自頂向 下”的全新設計方法，這種設計方法首先從系統(tǒng)設計人手，在頂層進行功能方框 3 圖的劃分和結構設計。在方框圖一級進行仿真、糾錯，并用硬件描述語言對高 層次的系統(tǒng)行為進行描述，在系統(tǒng)一級進行驗證。然后，用綜合優(yōu)化工具生成 具體門電路的網(wǎng)絡表，其對應的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或專用集成電路。 由于設計的主要仿真和調試過程是在高層次上完成的，這既有利于早期發(fā)現(xiàn)結 構設計上的錯誤，避燃計工作的浪費，又減少了邏輯功能仿真的工作量，提高 了設計的一次成功率。 2asic 設計?，F(xiàn)代電子產品的復雜度日益提高，一個電子系統(tǒng)可能由 數(shù)萬個中小規(guī)模集成電路構成，這就帶來了體積大、功耗大、可靠性差的問題。 解決這一問題的有效方法就是采用 asic 芯片進行設計。asic 按照設計方法的 不同可分為全定制 asic、半定制 asc 和可紀程 asic（也稱為可編程邏輯器 件）。 設計全定制 asic 芯片時，設計師要定義芯片上所有晶體管的幾何圖形和工藝 規(guī)則，最后將設計結果交由 m 廠家去進行格模制造，做出產品。這種設計方法 的優(yōu)點是芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低，而缺 點是開發(fā)周期長，費用高，只適合大批量產品開發(fā)。 半定制 asic 芯片的版圖 設計方法分為門陣列設計法和標準單元設計法，這兩種方法都是約束性的設計 方法，其主要目的就是簡化設計，以犧牲芯片性能為代價來縮短開發(fā)時間。 2.1.4 eda 技術的主要內容 eda 技術涉及面廣，內容豐富，從教學和實用的角度看，主要應掌握如 下四個方面的內容：（1）大規(guī)模可編程邏輯器件；（2）硬件描述語言；（3） 軟件開發(fā)工具；（4）實驗開發(fā)系統(tǒng)。其中，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷抢?eda 技術進行電子系統(tǒng)設計的載體，硬件描述語言是利用 eda 技術進行電子 系統(tǒng)設計的主要表達手段，軟件開發(fā)工具是利用 eda 技術進行電子系統(tǒng)設計的 智能化的自動設計工具，實驗開發(fā)系統(tǒng)則是利用 eda 技術進行電子系統(tǒng)設計的 下載工具及硬件驗證工具。 (1) 大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?可編程邏輯器件（簡稱 pld）是一種由用戶編程以實現(xiàn)某種邏輯功能的 新型邏輯器件。fpga 和 cpld 分別是現(xiàn)場可編程門陣列和復雜可編程邏輯器 件的簡稱，現(xiàn)在，fpga 和 cpld 器件的應用已十分廣泛，它們將隨著 eda 技 術的發(fā)展而成為電子設計領域的重要角色。國際上生產 fpga/cpld 的主流公 司，并且在國內占有市場份額較大的主要是 xilinx, altera, lattice 三家公司。 xilinx 公司的 fpga 器件有 xc2000,xc3000,xc4000,xc4000e,xc4000xla, xc5200 系列等，可用門數(shù)為 120018000；altera 公司的 cpld 器件有 flex600,flex8000,flex10k,flex10ke 系列等，提供門數(shù)為 500025000;lattice 公司的 isp-pld 器件有 isplsi1000, isplsi2000, isplsi3000, isplsi6000 系列等，集成度多達 25000 個 pld 等效門。 fpga 在結構上主要分為三個部分，即可編程邏輯單元，可編程輸入/輸出 單元和可編程連線三個部分。cpld 在結構上主要包括三個部分，即可編程宏 單元，可編程輸入/輸出單元和可編程內部連線。 4 高集成度、高速度和高可靠性是 fpga/cpld 最明顯的特點，其時鐘延時 可小至 ns 級，結合其并行工作方式，在超高速應用領域和實時測控方面有著非 常廣闊的應用前景。在高可靠應用領域，如果設計得當，將不會存在類似于 mcu 的復位不可靠和 pc 可能跑飛等問題。fpga/cpld 的高可靠性還表現(xiàn)在 幾乎可將整個系統(tǒng)下載于同一芯片中，實現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮小了體 積，易于管理和屏蔽。 由于 fpga/cpld 的集成規(guī)模非常大，可利用先進的 eda 工具進行電子 系統(tǒng)設計和產品開發(fā)。由于開發(fā)工具的通用性、設計語言的標準化以及設計過 程幾乎與所用器件的硬件結構沒有關系，因而設計開發(fā)成功的各類邏輯功能塊 軟件有很好的兼容性和可移植性。它幾乎可用于任何型號和規(guī)模 fpga/cpld 中，從而使得產品設計效率大幅度提高。可以在很短時間內完成十分復雜的系 統(tǒng)設計，這正是產品快速進入市場最寶貴的特征。美國 it 公司認為，一個 asic80%的功能可用于 ip 核等現(xiàn)成邏輯合成。而未來大系統(tǒng)的 fpga/cpld 設 計僅僅各類再應用邏輯與 ip 核（core）的拼裝，其設計周期將更短。 與 asic 設計相比，fpga/cpld 顯著的優(yōu)勢是開發(fā)周期短、投資風險小、 產品上市速度快、市場適應能力強核硬件升級回旋余地大，而且當產品定型核 產量擴大后，可將在生產中達到充分檢驗的 vhdl 設計迅速實現(xiàn) asic 投產。 對于一個開發(fā)項目，究竟是選擇 fpga 還是選擇 cpld 呢？主要看開發(fā) 項目本身的需要。對于普通規(guī)模，且產量不是很大的產品項目，通常使用 cpld 比較好。對于大規(guī)模的邏輯設計 asic 設計，或單片系統(tǒng)設計，則多采用 fpga。另外，fpga 掉電后將丟失原有的邏輯信息，所以在使用中需要為 fpga 芯片配置一個專用 rom。 （2）硬件描述語言（hdl) 常用的硬件描述語言有 vhdl、verilog、abel。 vhdl：作為 ieee 的工業(yè)標準硬件描述語言，在電子工程領域，已成為 事實上的通用硬件描述語言。 verilog：支持的 eda 工具較多，適用于 rtl 級核門電路級的描述，其綜 合過程較 vhdl 稍簡單，但其在高級描述方面不如 vhdl。 abel：一種支持各種不同輸入方式的 hdl，被廣泛于各種可編程邏輯器 件的邏輯功能設計，由于其語言描述的獨立性，因而適用于各種不同規(guī)模的可 編程器件的設計。 有專家認為，在新世紀中，vhdl 與 verilog 語言將承擔幾乎全部的數(shù)字 系統(tǒng)設計任務。 （3）軟件開發(fā)工具 目前比較流行的、主流廠家的 eda 的軟件工具有 altera 的 max+plus ii 、lattice 的 ispexpert、xilinx 的 foundation series。 max+plus ii：支持原理圖、vhdl 和 verilog 語言文本文件，以及以波形 與 edif 等格式的文件作為設計輸入，并支持這些文件的任意混合設計。它具 有門級仿真器，可以進行功能仿真和時序仿真，能夠產生精確的仿真結果。在 適配之后，max+plus ii 生成供時序仿真用的 edif、vhdl 和 verilog 這三種 5 不同格式的網(wǎng)表文件，它界面友好，使用便捷，被譽為業(yè)界最易學易用的 eda 軟件，并支持主流的第三方 eda 工具，支持除 apex20k 系列之外的所有 altera 公司的 fpga/cpld 大規(guī)模邏輯器件。 ispexpert：ispexpert system 是 ispexpert 的主要集成環(huán)境。通過它 可以進行 vhdl、verilog 及 abel 語言的設計輸入、綜合、適配、仿真和在系 統(tǒng)下載。ispexpert system 是目前流行的 eda 軟件中最容易掌握的設計工具 之一，它界面友好，操作方便，功能強大，并與第三方 eda 工具兼容良好。 foundation series：xilinx 公司最新集成開發(fā)的 eda 工具。它采用自動化 的、完整的集成設計環(huán)境。foundation 項目管理器集成了 xilinx 實現(xiàn)工具，并 包含了強大的 synopsys fpga express 綜合系統(tǒng)，是業(yè)界最強大的 eda 設計工 具之一。 （4）實驗開發(fā)系統(tǒng) 提供芯片下載電路及 eda 實驗/開發(fā)的外圍資源（類似于用于單片機開發(fā) 的仿真器） ，供硬件驗證用。一般包括：a）實驗或開發(fā)所需的各類基本信號發(fā) 生模塊，包括時鐘、脈沖、高低電平等；b）fpga/cpld 輸出信息顯示模塊， 包括數(shù)據(jù)顯示、發(fā)光管顯示、聲響指示等；c）監(jiān)控程序模塊，提供“電路重構 軟配置”；d）目標芯片適配座以及上面的 fpga/cpld 目標芯片和編程下載電 路。 2.1.5 eda 技術的設計流程 可以從傳統(tǒng)設計方法和 eda 設計方法的區(qū)別說明eda 設計方法 的優(yōu)勢： （1 1）設設計計思思想想不不同同： （2）eda 是采用自上而下（top - down)的設計方法。 自上而下是指將數(shù)字系統(tǒng)的整體逐步分解為各個子系統(tǒng)和模塊，若子 系統(tǒng)規(guī)模較大，則還需將子系統(tǒng)進一步分解為更小的子系統(tǒng)和?？欤瑢?層分解，直至整個系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)關系合理，并便于邏輯電路級的設 計和實現(xiàn)為止。自上而下設計中可逐層描述，逐層仿真，保證滿足系統(tǒng) 指標。 傳統(tǒng)設計方法是采用自下而上（bottom up）的設計方法。 6 （2 2）與與傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的基基于于電電路路板板的的設設計計方方法法不不同同，e ed da a 技技術術是是基基于于芯芯片片 的的設設計計方方法法。 7 （3 3）描描述述方方式式不不同同： 傳統(tǒng)設計方法采用電路圖為主； eda 設計方法以硬件描述語言（hdl_ hard description language)為主。 （ 4 4）設設計計手手段段不不同同： 傳統(tǒng)設計方法以手工設計為主； eda 設計方法其方案驗證與設計、系統(tǒng)邏輯綜合、布局布線、性能仿真、 器件編程等均由 eda 工具一體化完成。 2.2 vhdl 硬件描述語言 2.2.1 vhdl 的特點 vhdl 是一種用普通文本形式設計數(shù)字系統(tǒng)的硬件描述語言，主要用于描 述數(shù)字系統(tǒng)的結構、行為、功能和接口，可以在任何文字處理軟件環(huán)境中編輯。 除了含有許多具有硬件特征的語句外，其形式、描述風格及語法十分類似于計 算機高級語言。vhdl 程序將一項工程設計項目（或稱設計實體）分成描述外 部端口信號的可視部分和描述端口信號之間邏輯關系的內部不可視部分，這種 將設計項目分成內、外兩個部分的概念是硬件描述語言（hdl）的基本特征。 當一個設計項目定義了外部界面（端口） ，在其內部設計完成后，其他的設計就 可以利用外部端口直接調用這個項目。vhdl 的主要特點如下： （1）作為 hdl 的第一個國際標準，vhdl 具有很強的可移植性。 （2）具有豐富的模擬仿真語句和庫函數(shù)，隨時可對設計進行仿真模擬，因 而能將設計中的錯誤消除在電路系統(tǒng)裝配之前，在設計早期就能檢查設計系統(tǒng) 功能的可行性，有很強的預測能力。 8 （3）vhdl 有良好的可讀性，接近高級語言，容易理解。 （4）系統(tǒng)設計與硬件結構無關，方便了工藝的轉換，也不會因工藝變化而 使描述過時。 （5）支持模塊化設計，可將大規(guī)模設計項目分解成若干個小項目，還可以 把已有的設計項目作為一個模塊調用。 （6）對于用 vhdl 完成的一個確定設計，可以利用 eda 工具進行邏輯綜 合和優(yōu)化，并能自動地把 vhdl 描述轉變成門電路級網(wǎng)表文件。 （7）設計靈活，修改方便，同時也便于設計結果的交流、保存和重用，產 品開發(fā)速度快，成本低。 vhdl 是一種快速的電路設計工具，其功能涵蓋了電路描述、電路合成、電路 仿真等設計工作。vhdl 具有極強的描述能力，能支持系統(tǒng)行為級、寄存器傳 輸級和邏輯門電路級三個不同層次的設計，能夠完成從上層到下層（從抽象到 具體）逐層描述的結構化設計思想。 用 vhdl 設計電路主要的工作過程是： 1）編輯。用文本編輯器輸入設計的源文件（為了提高輸入效率，可用某些專用 編輯器） 。 2）編譯。用編譯工具將文本文件編譯成代碼文件，并檢查語法錯誤。 3）功能仿真（前仿真） 。在編譯前進行邏輯功能驗證，此時的仿真沒有延時， 對于初步的功能檢測非常方便。 4）綜合。將設計的源文件用自動綜合工具由語言轉換為實際的電路圖（門電路 級網(wǎng)表） ，但此時還沒有在芯片中形成真正的電路，就好像是把設計者腦海中的 電路畫成了原理圖。 5）布局、布線。用已生成的網(wǎng)表文件，再根據(jù) cpld（或 fpga）器件的容量 和結構，用自動布局布線工具進行電路設計。首先根據(jù)網(wǎng)表文件內容和器件結 構確定邏輯門的位置，然后再根據(jù)網(wǎng)表提供的門連接關系，把各個門的輸入輸 出連接起來，類似于設計 pcb（印刷電路板）時的布局布線工作。最后生成一 個供器件編程（或配置）的文件，同時還會在設計項目中增加一些時序信息，