基于fpga的远程监控系统设计毕业论文有程序(编辑修改稿)

基于fpga的远程监控系统设计毕业论文有程序(编辑修改稿)内容摘要：

大规模集成电路技术和计算机辅助设计（ CAD）技术发展的结果。 FPGA 器件含有程度高，体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。 使用 FPGA 可以大大缩减系统的研制周期，减少资金的投入，更吸引的是，采用 FPGA 器件可以将原来的电路扳级的产品集成为 芯片级产品，从而降低功耗，提高可靠性，同时还可以很方便的对设计进行在线修改。 FPGA 成为研发的理想器件，特别适合于产品的样机开发，及研究用途，因此 FPGA 将会成为最新且最热门的应用开发平台，对于远程监控系统的开发我想将会是更好的选择。 监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，应用者不断对远程监控的简便性及实时性提出了更苛刻的要求。 因此必须要更好地、更及时地应用最新技术，这样才能使得远程监控不断地发展，不断地满足人们的需求，选择 FPGA 正好可以满足人们这些严苛的要求，不仅可以为人们减少应用的体积，更可以为 人们节省资源，节省经济。 借助于远程监控可以将企业内部的信息网（ Intra）与控制网有效地连接起来，实现对生产、运营情况的随时把握，把生产运营状况同企业的经营治理策略紧密结合，从而实现企业的综合自动化，可以建立网络范围内的监控数据和网上知识资源库。 通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速总结，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术职员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，使受过专业练习的职员。 虚拟。 地出现在很多监控地点， 方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工作职员，终极实现远真个无人或少人值守，达到减员增效的目的。 4 本课题的主要研究内容 本次我们主要的研究目的就是采用 FPGA 技术去开发出一款远程监控系统，我们目前选用的工业器件为直流电子做为研究的主体，为什么用这个呢因为目前我们先要从最简单的数据处理来实现远程监控。 当下的远程监控都采用图像和音频数据同时传输的研究方向单是，由于目前我们处于本科阶段，研究的局限性加之音频和图像都是基本二进制数据的组合体，因此我们决 定从基本的数据流着手，对直流电机进行速度数据的采集及远程 PC 控制，做好这些对将来的图像和音频的远程控制也就只是地基打好盖房子的事情了。 本次我们的课题主体分为五个模块来实施：直流电机测速模块，直流电机 PWM 控制模块，串口通信模块，分频模块，为了对于中途对程序进行准确调试我们同时设计了数码管显示模块两个分别用来显示直流电机的转速和串口通信的调试数据显示。 对于本次的核心研究关键是去验证 FPGA 实现远程监控的设计的可行性，及稳定性。 对于硬件电路我们采用实验室提供的 FPGA 实验开发板，不仅节省了资金更能为更快地实现 研究的目的节省巨大的时间。 当下通信行业是一个热门的行业，因为在当下数据通信，手机的风行，电脑数据的远程传输都得用到通信方面的知识，但是当下如何将合适的通信方式跟我们研究的课题集合起来这将成为很重要的问题，对于用到的 FPGA，我们该用怎么样的 vhdl 语言区描述这样的通信原理呢，这些都是将要面临的问题。 市面上串口通信涉及到的方式比较多，具体的选择还得细细研究串口通信跟实验结合起来才可以确定。 PWM 控制直流电机的运转这是一个比较核心的问题，那么我们该如何去生成 PWM波，再用到什么生成方式我们能够更好的控制直流 电机的运转，等等一系列问题。 在这个问题研究的前提下我们必须去深刻了解 PWM 到底是什么原理，怎么样去生成有效而稳定的 PWM 波。 在这个大的课题下我们分布了很多的小的研究内容：串口通信的实现方法， PWM 波控制直流电机的控制波的生成及选择优化， Quartus II 开发设计流程，电机控制原理分析，PC 与开发平台如何握手连接问题，脉冲宽度与转速的对应关系研究。 2．电机监控基础理论及应用工具简介 基础理论 计数器原理 5 计数器广泛被应用到数字系统中，因为他可以对输入的脉冲进行计数，并且可以用于分 频器的制作，定时脉冲的输出等。 在其中计数器又分为很多种，按照计数功能可以分为加法计数器，减法计数器，可逆计数器；按照进位方式可分为同步计数器和和异步计数器；按照进位计数基数可以分为十进制计数和二进制计数和任意 计数器。 计数器是在一个脉冲来到之时进行数字累加，进行输出当达到一定的规定值之后将进行清零并将向下一个模块发送一个新的脉冲作为下一个计数模块的时钟输入进行计数从而能够实现多位的及较大的脉冲计数。 电机原理 直流电机是我们生活中非常常见的的一种电子设备，其结构如下图 21 所示。 我们就下 面的图来说明直流电机的工作原理，将直流电源通过电刷接通电枢纽绕组，使电枢导体上有电流流过，由于电磁作用电枢就会产生磁场。 同时，它将产生磁场与主磁极的磁场产生电磁力，这个电磁力作用于转子带动转子以一定的速度开始旋转，电机就能正常运转了。 PWM 技术 PWM脉冲宽度调制，是英文“ pulse frequency modulation”的缩写，简称为脉宽调制。 PWM可以通过模拟电路和数字电路来实现，也可以用到数字信号处理器的数字输出来对模拟电路进行控制实现，被广泛应用到测量通信及功率控制及功率变换等领域。 模拟电路实现 PWM 的方法是采用比较器来实现的，将参考的电平与三角波或者锯齿波信号进行比较，就可以输出一组脉冲宽度受到参考电平调制的 PWM 信号。 PWM 信号的脉 6 冲宽度与三角波或者锯齿波信号的周期之比被称为占空比，改变参考的电平就可以去改变占空比。 PWM 在开关变化器中被广泛应用，通过调节占空比可以很方便的改变其输出电压或者输出电平稳定。 PWM 实现电路控制是比较简单的，但由于输出频率是恒定的，如果开关变换器工作频率比较高的话，则在轻载或者处于待机状态时，开关损耗将极为可观，造成大量的能耗。 PC 机的 RS232 接口 PC机异步 I/ORS232 信号线十分的简单，一般是有 9 条信号线（ DB9 口）， RS232 的9条信号线的名称，信号方向以及简要功能如下表 22所示。 其引脚图如 23所示。 RS232 引脚性能表 引脚 信号名称 信号方向 简称 信号功能 1 载波检测 DCEDTE DCD 数据链路已经连接 2 接收数据 DCEDTE RXD DTE 接收串行数据 3 发送数据 DTEDCE TXR DTE 发送串行数据 4 数据终端就绪 DTEDCE DTR DTE 准备就绪 5 信号地 SG 公共信号地 6 数据设备就绪 DCEDTE DSR DCE 准备就绪可接收 7 请求发送 DTEDCE RTS DTE 通知 DCE 请求发送 8 清除发送 DCEDTE CTS DCE 已切换到接收模式 9 振铃指示 DCEDTE RI 通知 DTE 有远程呼叫 表 22 图 23 7 信号 RTS,CTS,DSR,DCD,DTR和 RI都表示控制信号。 这些信号有效时候，表示通状 态；反之表示断开状态。 信号线 TXD和 RXD 为数据传输信号线，传号表示 二进制 1，空号表示二进制 0. DCE 接收到远程载波，通信链路已经连接，那么这时候可以进行数据传输。 DCE 通过发送 DCD OFF 信号通知 DTE 断开连接。 RXD（接收数据）是 DTE 从 DCE 接收串行数据，该信号与其他信号状态无关。 当没有载波的时候，在半双工系统中从发送模式切换到接收模式的短暂时间内，这个信号处于传号状态。 TXD发送数据是 DTE向 DCE发送串行数据。 只有当 RTS,CTS,DSR,DTR信号有效的时候，DTE 才发送数据。 DTR 数据端就绪表明 DCE 已经准备好， DTE 一般是在通信开始时候发送 DTR 信 号，并在整个过程中保持开启状态。 SG 信号地是整个电路的公共信号地，做为所有信号的公共参考地。 数据设备就绪（ DSR）表示 DCE 准备就绪，可以接收数据，它并不是指建立到端到端的连接，而只表明本地 DCE的状态。 只有当下面的三个条件同时满足的情况下， DCE 才会发送 DSR 信号。 本地 DCE 已经到达信道，已经处于摘机状态，但是不处于测试，对话或者拨号状态； 本地 DCE 已经实现了定时功能； 如 DCE 是 Modem，则 Modem 已经开始了各自音调地传送。 请求发送（ RTS）信号和清除发送（ CTS）一起提供了控制 DTE 与 DCE 之间数据流的一种方法。 当 DTE 要求发送数据或者接收模式切换到发送模式时，发送 RTS 信号用来通知 DCE， DTE请求发送数据。 当 DTE 发送 RTS 信号请求发送数据后，不能立即发送数据。 因为 DCE 不能再瞬间完成线路的切换，因而 DTE 必须检测 CTS 信号。 当 DCE 向 DTE 发送 CTS 信号后，表明 DCE已经切换到接收数据模式，这时候 DTE 才可以发送数据。 振铃指示（ RI）的作用是当 DCE接收到线路上有振铃信号时，发送信号以通知 DTE有一个远程呼叫。 数据通信的基础知识 位和字节：在十进制计数制中有 10个 数码 0～ 9，在二进制中只有两个数字 0、 1。 二进制计数制中的每一位 0 和 1，被叫做一个位。 每八个位构成一个字节，因为一个字节值的范围从 00000000～ 11111111，也就是十进制的 0～ 255. 在一个字节中最右面的位被称为 0位，最左面的位被称为位 7 位。 位 0 位是最低有效位，而位 7 位是最高有效位。 并行传送和串行传送：并行传送意味着当数据从一台计算机传送到另一台计算机时， 8 不是依次一个比特位一个比特位的传送的，而是用并行方式沿多线同时传送多个位，传送的并行位数可能是不一样的，但是一般是八位或者是八位的倍数。 串行 传送是指数据被依次一位一位的传送，因此通信接口必须能够分别将所有的位依次的发送出去，也应该能够将每一位依次接收下来。 帧：在串行异步通信情况下，构成一个字节的那些数单元被称为数据位，在数据位的前面、后面要加上起始位、停止位、奇偶校验位。 一个字符所使用的位数根据不同协议而定。 称这些位数为字符位数据长或者字长。 通常不是 8位就是 7位。 每发送一个字符，就发送一个组，这个组包括一个起始位一个数据位，可选择的奇偶校验位，一个或者更多的停止位。 为了更清楚起见，将构成每个字符及伴随的位作为一帧。 波特率：波特率是每秒传送 的离散信号数，它使用法国的通信学科创始者波特的名字来命名的。 对于二进制通信来说，就是指每秒钟传输的二进制数。 波特和位有很大的区别，但是被常常弄错。 在两个 RS232 直接连接的时候，一个信号在任何时间里只能是两种状态的的一种，所以这个时候的波特率和位率是相同的概念。 不管怎么样，一个信号在两个调制解调器之间直接传送时候，可以用到多个状态的一种。 信号的长度可以是 1/600s（ 600 波特率），但是由于一个呗传送的状态可能超过两 2位信息，则位率会比波特率高。 但是要注意的是，无论是波特率还是涉及到一个信号帧内传送信号 的位速率，因为字符是使用不同速度输入的，两帧之间的间隔是可以变化的，所以，所有提到的波特率还是位速率都是指真正被传送的信息。 同步传送和异步传送：在串口通信中，异步通信方式是以字符为传送单位的，传送的字符之间是可以无规律的，这样可能使得接收设备不能正确的接收数据，因为每接收完一个字符之后都不能确切的知道下一个被接收的字符会何时来到。 这样一来就要在每一个字符的首尾附加一个比特位，用来表示一个字符的开始跟结束。 这些额外的位被称为开始比特位和停止比特位，有时也经常加上一个被称为奇校验的错误校验位。 当被发送的字符 是以快位单位进行发送时，则他们可以被有规则的分开。 他们不再需要在每一个字符的首尾附加开始和停止比特位，因为一旦收到首字符的时候，接受的设备能够很确切的预计出后续字符的位置，那么也就是说，接收的设备能够自动与计算机同步。 这种通信方法被称为同步通信。 因为异步通信需要在每一个字符的首尾加上开始和停止校验位，和同步信号相比，异步通信发送每一个文件会花费较多的时间。 状态机的基本结构跟功能 状态机是一种时序逻辑电路，它的基本结构逻辑框图如图 24 所示。 状态机除了输入信号、输出信号、还包括一组记忆状态机内部 状态的寄存器。 状态机的下一个状态以 9 及输出，不仅跟输入信号有关，而且还与寄存器的当前状态有关，状态机可以认为是组合逻辑跟寄存器逻辑的特殊组合。 他包括两个重要的部分：组合逻辑部分以及寄存器部分。 寄存器状态用于存储状态机的内部状态；组合逻辑又被分为输出译码器跟状态译码器，状态译码器能够确定状态机的下一个状态，输出译码器确定状态机的输出。 图 24 状态机有两种基本的操作： （ 1）状态机的内部状态转换。 状态机要经过一系列的状态，下一个状态会由状态译 码器根据当前状态和输入条件决定。 （ 2）产生输出信号。 输出信号 由输出译码器根据当前状态和输入条件决定。 大多数实用的状态机都是同步时序电路，由时钟信号触发状态转换。 有限状态机是一种时序逻辑电路，常用于数字。