基于FPGA的多功能定时及计数系统的设计
摘 要
本文在研究了电子系统数字化和多功能计数器发展趋势的基础上，用可编程大规模器件作为设计的基础和载体，具体采用FPGA开发板代码编写，硬件电路设计，程序调试，通过软件仿真，实物测量，完成多功能定时测频计数器设计的实现。
该频率计是将频率的采集技术和单片机结合运用，以此来大幅度地提高频率采集的精度和速度。本文主要分为两大块内容：一是频率计的硬件设计和软件编写，二是仿真和具体实物的实现。在硬件上，采用ALTERA公司的FPGA开发板器件为控制器；在软件上，利用的是VHDL语言作为硬件描述,这样可以做到在硬件资源的占用上减少负担，以实现频率测量、周期测量、脉宽测量和占空比测量等多种功能的数字测频计数器。
通过软件仿真和实物结果的分析，该数字频率计设计简单，性能上满足测量精确高、速度快的要求。
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关键字:FPGAVHDL计数器频率计等精度
目录
1绪论 1
1.1 多功能计数器现状 1
1.2 多功能计数器的研究目的和意义 1
1.3 本课题研究课题的目的 2
2 软件开发平台VHDL简介 3
2.1 VHDL的发展 3
2.2 VHDL的特点 3
2.3 VHDL语言结构 3
2.3.1 实体（ENTITY） 4
2.3.2 结构体（ARCHITECTURE） 4
2.4 VHDL软件设计简介 5
3 硬件开发平台现场可编程门阵列（FPGA）简介 6
3.1 FPGA的器件结构与工作原理 6
3.2 基于EDA平台的FPGA开发流程 7
4 多功能计数器的理论基础和总体设计方案 9
4.1 所用频率测量方法及其误差分析 9
4.1.1 直接测频法 9
4.1.2 测周法原理 10
4.1.3 等精度测频原理 11
4.2 脉冲宽度和占空比测量原理 13
4.3 总体设计 14
5 多功能计数器的软件设计和硬件设计 15
5.1 软件设计 16
5.1.1 测频模块的具体描述和所用到的VHDL语言程序（见附录5.1 5.2 5.3） 17
5.1.2 脉冲宽度和占空比测量模块 18
5.1.3 测频/测周期实现 19
5.2 硬件设计 19
5.2.1 程控放大电路 20
5.2.2 过零比较电路 21
5.2.3 测频主系统实现 21
6 总 结 23
参考文献 24
附录 25
致 谢 28
1.绪论
当今在信息技术快速发展的形势下，数字电子系统已发展为主流趋势。之前通常在微控制器里使用小规模构成的电子芯片，现如今系统的设计都利用到FPGA，飞速的发展已经将电子的设计技术推到了一个新的高度。FPGA具有逻辑功能强，容量大等一些特点，而且有两个高速和高可靠性。同时让硬件的设计可以简洁化，更加高效设计技术操作和系统，使电子设计构成能够有一个跳跃性的发展。由于FPGA技术处于高速发展时期，在很多方面都运用到，在不断地取代传统的数字元件。由于EDA技术大力地支持，再基于VHDL语言的设计，FPGA芯片利用自身的优势加上比较灵活的可编程手段已经成为目前数字系统设计的主流。
1.1 多功能计数器现状
目前的多功能计数器在功能上是用来显示所测信号周期、频率等数值的一种仪器，并且是用十进制数来显示的。它在数字电路设计中的一个重要应用；在实际的设计应用中器件是比较繁多的，再加上设计时的连线较为复杂，所有这样的计数器会有很大的延时性，在测量时会有较大误差，可靠程度也并不强。但是当前可以利用到CPLD（复杂可编程逻辑器件）来简化整个实际设计的过程，因为它以EDA为开发的基础，配上VHDL语言编程把整个计数器系统的误差和可靠程度都大大提升。目前在很多通讯、音频设备包括很多研究生产方面都是需要利用到它的。当今使用FPGA为基础设计的定时计数器受到芯片容量的大幅度扩大和价格的下降在选择上具有更多竞争优势。用VHDL编程语言设计出的定时计数器在对信号整形处理、键输入和显示上是不在FPGA芯片上实现的，其他的都是在芯片上实现的。该芯片系统很简单，并且体积小、功耗低，在现场编程上极为灵活。通过实物连接改进，在功能上能够作为脉宽测量、电容测量的设备仪器；利用传感器的话，还能够作为脉搏测量仪器等。终上所述，目前多功能计数器在物理学、电子学、生物学，包括航天等方面都有较为广泛的应用。
1.2 多功能计数器的研究目的和意义
近几年，很多类似晶体振荡器的行业都需要应用频率测量器，而且在精度上要求也是越来越高，在功耗和性能上还要能够满足高性能、低功耗的要求。但现状是很多仪器在精度方面和测量计数方面的要求上不能够同时满足，因此，在这些前提下设计出能够高精度测量同时能满足测量要求和低成本的频率测量器是十分必要。
1.3 本课题研究课题的目的
本文所要介绍并设计的多功能计数器具有操作简单，测量速度快，精度极高，LCD屏幕显示功能齐全等优势，而且在测量上不仅能测频率还能测量信号周期。所以该计数器在低成本的基础上一定会有较好的前景和收益。
2.软件开发平台VHDL简介
2.1 VHDL的发展
VHDL源于20世纪中后期。在VHDL刚出现不久就被评判为标准硬件编程语言，这是美国国防部所认可的。VHDL语言的87版在被IEEE公示出来后，几乎所有的关于EDA的
公司都发表出自己公司该编程的设计环境和设计工具等。在此之后原先不标准的一些描述编程语言基本都被VHDL设计语言所取代和替换，并走上成熟的道路。GDA公司在20世纪后期创建了VHDL，一开始的创建只是为了设计出一个用来作仿真验证的工具。但是后来还是分别又创建了故障模拟分析工具。两年之后另外一个Moorby公司推出了一个仿真器，取得了较大的突破，使得VHDL更为被推崇和应用。之后GDA公司被收购，从而使该技术语言变成了CADENCE软件设计公司的专有技术。在1990年，该公司将VHDL语言公开并成立组织来支持和加速VHDL成为标准硬件描述语言。
2.2 VHDL的特点
当前电子数字设计系统的行为、功效和接口等都用VHDL语言来作为描述语言，当然一定是由于VHDL语言的优势（在和其他描述语言的对比下）。如下几点：
1) VHDL语言设计方案可是不那么单一，比如可以基于库、可以从上至下、可以用在异步或同步电路上、FPGA等一系列电路；
2) VHDL语言具在描述上不仅可以在数学模型和门级电路之间互通，而且可以混合使用高低层次的描述，同时对于数据、类型等都能自我定义，这样在编程上带来的发挥空间、乐趣和自由都是很大的；
3) 倘若一个设计者在不熟悉或者基本不懂硬件结构和实现目的的情况下是不影响语言设计的，因为VHDL在描述上是可以独立存在的；
4) 一般情况下设计者不用编写相量来作源代码的调试，因为VHDL可以确保它的精确性在于本身的仿真和验证功能，在几种方案的优势比较时也可以比较方便地看出来，不再需要一些具体的实验；
5) VHDL语言可以是一个独立的编程技术；
6) VHDL语言可以互通，而且编程方面比较规范、比较标准。
2.3 VHDL语言结构
包括了整个VHDL语言的所有模块结构，在具体应用中不是必须都要使用到的，在很多设计方案里基本上只使用到百分之三十的语法编成技巧；图2.2反而是我们设计时最根本和所必需的。
图2.2 VHDL程序基本结构
2.3.1 实体（ENTITY）
实体在功能上是与外部接口进行描述的，简单来说就是内外链接的描述，是设计实体的一部分，是表层单元；实体起到对外通信的作用，因为它是用来规定各单元输入输出引脚和接口信号的。一般外在只是它的各个接口能被我们所具体看到。在表示一个实体逻辑时（主要是它的功能和结构）可以使用1个或者几个结构体，而这一模块是我们所不能通过肉眼来看到的。一个实体描述是可以用在完全不同逻辑功能的两个实体上的，由于原理图里的零件符号与实体相似，逻辑功能与它无关，仅由实体结构来确定。实体能够对整个结构来进行描述，当然在个体芯片、电路板或者门电路上也是可以进行接口描述的。
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