1. 研究目的与意义
| 1.1 研究背景 在接到课题后，在图书馆期刊论文中查阅了相关资料，以下为相关文献研究现状： 文献[1]王金明的《数字系统设计与Verilog HDL(第7版)》中，根据EDA课程教学要求，以提高数字系统设计能力为目的，系统阐述FPGA数字系统开发的相关知识，主要内容包括EDA技术概述、FPGA/CPLD器件、Verilog硬件描述语言等。全书以Quartus Prime、ModelSim软件为平台，以Verilog‐1995和Verilog‐2001语言标准为依据，以可综合的设计为重点，通过大量经过验证的数字设计实例，阐述数字系统设计的方法与技术，由浅入深地介绍Verilog工程开发的知识与技能。 文献[2] 夏宇闻的《Verilog数字系统设计教程(第3版)》中，讲述利用硬件描述语言（VerilogHDL）设计复杂数字系统的方法。这种方法源自20世纪90年代的美国，取得成效后迅速在其他先进工业国得到推广和普及。利用硬件描述语言建模、通过仿真和综合技术设计出极其复杂的数字系统是这种技术的*优势。从算法和计算的基本概念出发，讲述如何用硬线逻辑电路实现复杂数字逻辑系统的方法。 文献[3] 陈大勇,涂建辉,廉吉庆,王剑祥的《一种原子气室缓冲气体压强的测量方法[J]》中，在被动型CPT(相干布居数囚禁)原子钟中,缓冲气体、C场主要作用是改善原子钟信号的特性,但同时会对碱金属原子能级产生扰动,引起CPT共振信号频率的偏移,通过建立被动型CPT原子钟频移量的理论模型,并基于被动型CPT原子钟建立频移量测量系统,对缓冲气体和C场等因素引起的频移量进行测量,并通过数值计算,得到被动型CPT原子钟气室缓冲气体压强。 文献[4] 杨超普,方文卿的《气氛及压强对MOCVD红外测温的影响[J]》中，利用自主搭建的可径向移动的940 nm单波长红外辐射测温仪,研究了Thomas Swan CCS MOCVD第二次Bake过程中,反应室在不同气氛（氢气、氮气以及氢氮混合气体）和不同压强（13.33-53.33k Pa）下径向温度分布。试验结果表明：压强为13.33 k Pa,MOCVD反应室内的气氛不同时,红外测温结果主要受气体导热系数的影响;在20 L氢气下,反应室内压强越大温度越高;在压强为13.33 k Pa,H2流量的不同对测温影响不大。该研究结果可为MOCVD反应室的红外辐射测温与精确控温提供参考。 文献[5] 宋万杰的《CPLD技术及其应用[M]》中，CPLD是*型的可编程逻辑器件，几乎可适用于所有的门阵列和各种规模的数字集成电路，它的诸多特点使其特别适合于产品的样品开发与小批量生产。本书以MAXPLUSⅡ为工具，详尽地剖析了其FLEX10K等系列的结构、功能及开发应用。在基础篇中，通过一个完整的实例介绍，尽快讲解MAXPLUSⅡ的软件安装、设计输入、项目编译、优化以及硬件编程在线调试等功能，并且能够开发出相对简单的产品。在提高篇中，对电子电路设计过程中出现的许多问题，例如：如何提高设计效率，如何提高系统设计速度等作了更深入的探讨。同时，本书还对Altera硬件描述语言AHDL的基本构造以及如何在设计中应用AHDL编制出精炼的程序都作了大量的实例介绍，以期帮助电子设计人员从繁琐的传统电路设计、调试中解脱出来。本书结合众多的工程设计实例，由浅入深，改变了以往电路设计类书籍与实际脱节的现象。大量的图例说明，对于初学者更有极大的帮助。 文献[6] 梁志超的《通用多通道数据采集系统的设计与实现[D]》，数据采集技术广泛应用于通信、雷达、航空航天、工业等领域。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，数据采集系统的性能在不断提高，功能在不断增强。现代信号处理系统中，为了更好地分析系统，在采集关键信号的同时往往需要同步地采集一些相关信号。早先的多通道分时复用数据采集系统只能实现循环采集多路信号，而不能实现采集同一时刻各通道的信号，另外数据采集的速率也不是很高，而多通道同步数据采集系统恰恰弥补了分时复用数据采集系统的不足。本文设计并实现了一套基于多通道同步数据采集结构的通用多通道数据采集系统。其中首先介绍了通用多通道数据采集系统的基础理论并提出系统的总体实现方案，然后对数据采集系统中数据采集卡和数据回放卡的硬件设计与实现做了详细的论述，最后阐述了LabVIEW上位机的设计 文献[7] 陈霞,吴春旺的《智能数据采集设计[J]》中，介绍了一种基于CAN现场总线的高精度数据采集器的设计方法，该系统采用24位A／D转换器ADS1252和带有CAN控制器的微处理器C8051F040，硬件简单、可靠。给出了软件设计框图。 文献[9] 黄继业，陈龙，潘松的《EDA技术与Verilog HDL (第3版)》中，本书系统地介绍了EDA 技术和Verilog HDL 硬件描述语言，将Verilog HDL 的基础知识、编程技巧和实用方法与实际工程开发技术在QuartusII 上很好地结合起来，使读者通过本书的学习能迅速了解并掌握EDA 技术的基本理论和工程开发实用技术。 文献[10]为善于，钟绪杰，王春梅，卢美吉，李月的《基于FPGA的信号参数测量的研究与设计》中，以FPGA主控芯片,以VCA810芯片设计成放大电路,以TLV3502芯片设计成比较器电路,OPA695芯片设计成缓冲电路,通过液晶屏显示的信号参数测量仪。本系统可测量正弦波、方波、三角波信号等的频率、占空比等参数。 文献[12]杨杨的《基于Verilog HDL语言的复杂交通指标灯设计与实现》中，为克服采用单片机或PLC来实现交通灯控制器的不足,在已有基于Verilog HDL硬件描述语言的交通灯设计的基础上,给出了一种基于Verilog HDL硬件描述语言的复杂交通指标灯设计;同时,选择XINLINX公司的FPGA芯片,采用ISE9.1i开发工具进行了程序的编译与功能仿真,实现了交通灯控制器的硬件电路描述。仿真结果验证了提出的设计方案的正确性,下载到在线可编程逻辑器件CPLD芯片,实现了相应的功能。 文献[13]黄杰勇的《基于CPLD实现LCD1602显示设计》中，随着液晶显示器的不断发展,液晶显示模块已广泛应用在仪器仪表、家用电器、电子产品中。该文提出利用CPLD实现LCD1602的显示设计,并通过了硬件制作验证了设计的正确性和可行性。
1.2 研究目的及意义 半导体技术的快速对人类的生产生活带来了极大地的影响，半导体晶体管的发明及硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展，使人类进入了信息时代，而超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。半导体技术的每一次发展都是以新材料生长制备方式取得突破为基础的。分子束外延、金属有机物化学气相沉积、脉冲激光沉积等已成为当前先进材料生长的代表性技术。先进的生长技术在提高材料水平和生长质量的同时，也对材料生长的环境提出了更高要求，包括不断提高的生长温度，精确地气体氛围、合适的反应室压强等。其中反应室压强的调节可通过气体真空泵来实现，但是准确的控制还需配装备对应的测试装置。 本课题以CPLD为控制核心设计一套通用性强的气体压强测试装置，能够按照具体使用要为外置的气体压强传感器提供电能供给，灵活切换输入信号的选择，并对前端放大信号进行合适处理，再通过控制高精度ADC将处理后的模拟信号转换为数字信号并进行自动处理，实现相应气体压强的自动准确测量，测量结果还能用LCD进行显示。 |
2. 研究内容和预期目标
| 2.1 研究内容 本课题涉及的主要研究内容包括如下几个部分：结果显示采用Pa/Torr/mBar等多种单位形式、适用多种规格的气体压强传感器配置、具备调零功能、具备线性度调节功能、具备输入切换功能等、具有PLD学习的开发实验板功能等。 （1）结果显示采用Pa/Torr/m Bar等多种单位形式 Pa/Torr/m Bar均为压强单位，且1Torr≈133.322Pa=1.333m Bar。 （2）具备调零功能 经过调零后，能够多次测量。 （3）具备线性度调节功能 该功能使得压强显示能够通过多种单位形式去显示。 （4）具备输入切换功能等 该功能能够针对多种应用下的气体压强控制要求去灵活切换输入信号的选择，进而对前端放大信号进行合适处理。 （5）具有PLD学习的开发实验板功能等 通过具有PLD学习的开发实验板，将编写好的代码下载到开发板上，借此对气体压强参数自动测量电路进行系统功能调试，并改进。
2.2 预期目标 （1）实现多种气体压强规格精确测量的测试装置样机1套。 （2）用于气体压强测量的通道控制、ADC转换控制、数据实时处理、LCD显示等动能模块、顶层测试模块的Verilog HDL程序及其功能仿真的工程文件一套。 （3）开题报告一份。 （4）设计论文一份。 （5）外文翻译一份。 |
3. 研究的方法与步骤
| 3.1 研究方法 本课题主要使用硬件描述语言Verilog HDL，按照相关的功能模块设计对应程序。Verilog HDL以模块为基础去进行复杂的硬件电路设计，它与C语言相近，但也存在许多差别。作为一种与普通计算机编程语言不同的硬件描述语言，它还具有一些独特的语言要素例如向量形式的线网和寄存器、过程中的非阻塞赋值等。 关于CPLD，它是复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆("在系统"编程)将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
3.2 研究步骤 （1）查阅CPLD以及高精度ADC芯片手册，按照气体压强传感器的规格，确定测量电路的实现方案及控制模块结构； （2）查阅相关器件手册，学习其接口时序及工作方式，定义相关的控制模块； （3）学习硬件描述语言Verilog HDL，按照相关的功能模块设计对应Verilog HDL程序； （4）学习相关的EDA涉及软件，如Quautus_II等，设计对应的仿真文件，对相关的功能模块进行功能仿真； （5）设计控制模块的顶层模块程序并进行编译调试； （6）结合硬件电路结构对气体压强参数自动测量电路进行系统功能调试，并改进； （7）撰写论文。 |
4. 参考文献
| [1] 王金明.数字系统设计与Verilog HDL(第7版).电子工业出版社. 2019年01月. [2] 夏宇闻. Verilog数字系统设计教程(第3版).北京航空航天大学出版社.2017年. [3] 陈大勇,涂建辉,廉吉庆,王剑祥.一种原子气室缓冲气体压强的测量方法[J].时间频率学报,2019,42(01):12-16. [4] 杨超普,方文卿.气氛及压强对MOCVD红外测温的影响[J].商洛学院学报,2015,29(04):43-46. [5] 宋万杰.CPLD技术及其应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,1999. [6] 梁志超.通用多通道数据采集系统的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学出版社.2010:1-13. [7] 陈霞,吴春旺.智能数据采集设计[J].计量技术.2008(1):44-46. [8] 沈兰..高速数据采集系统的原理与应用.北京:人民邮电出版社.2009. [9] 黄继业.陈龙.潘松.EDA技术与Verilog HDL (第3版).清华大学出版社2017. [10] 为善于.钟绪杰.王春梅.卢美吉.李月.基于FPGA的信号参数测量的研究与设计.电子世界.2018(24). [11] Peilin Li; Mustafa Ucgul;Sang-HeonLee;Chris Saunders; A new approach for the automatic measurement of the angleof repose of granular materials with maximal least square using digital imageprocessing.Comouters and Electronics in Agriculture. [12]杨杨.基于Verilog HDL语言的复杂交通指标灯设计与实现.电脑编程技巧与维护.2011(14). [13]黄杰勇.基于COLD实现LCD 1602显示设计.科技创新导报.2013(4). |
5. 计划与进度安排
| [1] 2022.2.16---2022.2.29 查阅资料, 撰写开题报告 [2] 2022.3.1----2022.3.14 需求分析,熟悉开发工具 [3] 2022.3.15----2022.3.28 概要设计 [4] 2022.3.29----2022.4.11 详细设计 [5] 2022.4.12----2022.4.25 编写代码及设计,程序调试 [6] 2022.4.26----2022.5.9 毕业论文资料收集，撰写论文提纲 [7] 2022.5.10----2022.5.30 整理设计文档，撰写毕业论文 [8] 2022.5.31----2022.6.13 论文修改、系统改进、答辩准备及答辩
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