毕业论文-基于fpga的停车场停车位显示系统说明书

毕业论文-基于fpga的停车场停车位显示系统说明书内容摘要：

），设计者就能够对整个工程设计的结构和功能的可行性进行查验，并做出决策。 在硬件设计中架用计算机辅助设计 (CAD)一般来说到了 80 年代才普及和应用，随着大规模专用集成电路 (ASIC)的开发和研制，为了提高开发效率，增加已有的开发成果的可继承性以及缩短开发时间，各 ASIC 厂商相继开发了用于各自目的的硬件描述语言，其中最有代表性的是美国国防部开发的 VHDL(VHSIC Description Language)语言，在1987 年，由 IEEE 将 VHDL 语言定为标准。 用 VHDL 进行设计与传统的原理图设计技术相比有很多的优点。 VHDL 支持数字电路的开发环境，同时也支持各种设计方法 :自顶向下 (topdown)，自底向上 (bottomup)或两者混合的方法。 当今许多电子产品的生命周期大约为 10 年，同时又必须多次重新设计，以利用新的技术。 现在，最简单的方法是采用与工艺无关的VHDL 设计方法，使用 EDA(电子设计自动化 )工具来改变工艺。 VHDL 的设计支持可 修改性，因为语言易读、层次化且结构化。 VHDL 语言支持层次化 (框图 )、元件的再用、出错处理和验证。 层次化可以利用结构 VHDL、过程和函数描述。 结构 VHDL 类似于框图。 许多系统还支持图形输入，并可以自动转换成结构 VHDL。 VHDL 语言还支持并行的和顺序的语言结构。 VHDL 的元件 (Component)设计可以与工艺无关，或者或多或少与某一类工艺无关。 元件可以保存在设计库中，在多个不同的设计中再利用。 这样就可以在市场上买到商用集成电路标准元件的 VHDL 模型，当验证整个电路板时，这是一个很重要的优点。 VHDL的 代码可以用模拟器验证其功能。 模拟器施加输入信号进行模拟，并以元件为基础产生信号图和出错信息。 输入信号的描述或者用 VHDL 语言，或者用模拟器的语言。 当对VHDL 代码进行模拟时就实现了功能验证。 其后还可以对设计进行时序验证。 在传统的原理图设计中，设计者必须用手工检查与工艺有关的因素如时序、面积、驱动强度、元件的选择和扇出。 用 VHDL 进行设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能，即需求规范的实现，而不需要对不影响功能的与工艺无关的因素花费过多的时间和精力。 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计 13 课题设计的主要内容 本课题是要设计一个 100 个停车位的停车场车位显示系统，设计要求用 1010 点阵表示停车场的 100 个车位，灯亮表示该车位为空，灯熄灭表示该车位有车。 用传感器检测某个停车位上有无车辆，设计其测量转换电路。 在设计测量转换电路的过程中传感器的选用是关键。 整个设计中用硬件描述语言来完成，并用 MAX＋ PLUSⅡ进行仿真，仿真过程中参数设置比较关键。 最后要对仿真结果 进行系统 分析。 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计 14 第 2 章 停车场车位显示设计的分析 车位显示设计的分析 随着新世纪经济持续快速发展，私人购车量大幅提高。 庞大的车辆系 统给我们日常生活带来很多问题。 首先要面对的就是车辆停置的有效管理。 在停车场管理中，停车场的土地资源是有限的，因此在停车场土地资源的有效利用也就相当重要。 设计合理和完善的车位显示管理系统是很必要的。 本课题为 停车场停车位显示系统设计 ，其中包括： 传感器的选用 、 FPGA 处理芯片的 选定 和 系统功能程序的 设计。 其中 传感器 是 用来测量车位上是否有车 ， 处理芯片对传感器测量数据进行分析。 当 某个车位驶入一辆车 ,则传感器接收到信息并输出 , 经过处理芯片对信号进行分析处理，并且输出显示。 在整个设计中停车位信息的传输是关键，车位信息检 测和传输用到传感器，因而传感器的选用 是设计的入口。 传感器的选用 传感器是 一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 它是实现 停车场车位显示系统 自动检测的首要环节。 传感器一般是根据物理学、化学、生物学等特性、规律和效应设计而成的。 由某一原理设计的传感器可以同时测量多种非电量，而有时一种非电量又可用几种不同的传感器测量，因此传感器的分类方法有很多，一般可按如下几种方法分类： （ 1） 按输入物理量分： 按输入物理量的性质进行分类，如速度传感器、温度传感器、位移传感器等。 这种分类方法是按输入物理量命名的。 其优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途使用。 但是这种分类方法是将原理互不相同的传感器归为一类，很难找出每种传感器在转换机理上有何共性和差异。 （ 2）按工作原理分：这种分类方法是以工作原理，将物理和化学等学科的原理和、规律和效应作为分类依据，如电压式、热电式、电阻式、光电式、电感式等。 这种分类方法的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，利于对传感器进行深入分析和研究。 （ 3）按能量的关系分：根据能量的观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器。 前者将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器。 通常配合有电压测量电路和放大器，如压电式、热电式、电磁式等。 无缘传感器又称能量控制型传感器。 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计 15 它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中能量起控制或调节作用。 所以，它们必须有辅助电源，这类传感器有电阻式、电容式、电感式等。 （ 4）按输出的信号的性质分：分为模拟式和数字式传感器，即传感器的输出量为模拟量或数字量。 数字传感器便于与计算机连用，且抗干扰性强，例如盘式角压数字传感器 ，光栅传感器等。 对于相同种类的测定量可采用不同工作原理的传感器，因此要根据需要选用最适宜的传感器。 选用传感器时要考虑以下几点： （ 1）测量条件：如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。 为此，要从系统总体考虑，明确使用的目的以及采用传感器的必要性，绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感器。 测量条件列举如下，即测量目的，测量的选定，测量的范围，输入信号的带宽，要求的精度，测量所需要的时间，过输入发生的频繁程度。 （ 2）传感器的性能：选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定度，响应速度，模拟信号或者数 字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期，过输入保护。 （ 3）传感器的使用条件：传感器的使用条件即为设置的场所，环境，测量的时间，与显示器之间的信号传输距离，与外设的连接方式，供电电源容量。 反射式光电传感器是将红外发光管和硅光敏三极管等，以相同的方向装在支架上。 当红外线发光管通电发光时，光通过被照射物反射到硅光敏三极管窗口上， 使硅光敏 三极管导通，从而有一定大的电流输出，以此检测物体的有无。 在设计中 将传感器置于停车位的正上方，通过红外反射确知车位状态，其实现原理如图 所示。 考虑到停车场与地面 有距离差，传感器的测量距离必须有足够大。 一般的红外反射传感器检测距离都在 2～ 5 米，停车场的高度在其测量距离内。 且 红外反射光电传感器具有灵敏度高，抗干扰强，安装简便，价格低等优点。 所以选用红外反射光电传感器符合课题的要求。 图 红外反射车位检测原理 图 传感器 停车场停车位 红外反射 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计 16 红外反射光电传感器 及实现电路 反射式光电传感器的光源有多种， 常用的 有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传 感器只接收很 窄的 频率范围信号，不容易被干扰 但价格较贵。 理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。 因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。 如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。 红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如反射光强度的输出信号电压 Vout 是反射 面与传感器之间距离 x 的函数，设反射面物质为同种物质时， x 与 Vout 的响应曲线是非线性的，如图 ，图 所示。 设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。 图 红外发射接收原理 图 光强度相应曲线 在设计中每个车位上方都要安装一个红外反射传感器，总共 100 个传感器就有 100个信号输出数据线。 这些线都接入到系统设计电路的总线输入端口，在 CLK 时钟的驱动下系统设计电路完成对检测信号的处理并且输出。 设计中采用的红外反射光电 传感器的具体实现电路如图 所示。 接收电路 发射 X 反 射 表 面 4 10 Vout x/mm 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计 17 图 红外反射式光电传感器实现电路 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计 18 第 3 章 系统设计 系统设计方案 本课题为 停车场停车位显示系统设计，首先要解决的是停车位车辆状态信息的检测和传输，然后对检测信号进行分析处理，最后将车位状态信息显示。 这里我用到位置传感器对车位信息进行检测，所以要在 1010 停车场共 100 个停车位每个停车位安一个“车位传感器”， 利用 传感器检测 停车场停车位 停车状态， 传感器检测到的信号通过总线送进 FPGA 锁存后 进行信息处理，最终通过显示器件 将停车位状态信息显示。 系统设计框图如图 所示。 100 个传感器并行信号输入 FPGA 进行锁存， 由 分组模块程序对所有信号进行分组 10 个一组，共 10 组。 10 组分组信号进入显示模块进行行和列扫描。 整个设计方案分两个大模块：分组模块和扫描显示模块。 图 系统设计 方案 框图 分组模块顶层图及设计程序 如图 所示， 所有传感器的输出都接到 系统电路的输入总线 din[99...0]，共一百个输入端口。 在 CLK 时钟驱动下， LOCK 对 100 个传感器输入信号进 行锁存然后 系统电路开始工作对输入信号进行 分组， 具体分为 qout0～ qout9 共 10 组，每组 10 个。 以上提到的 LOCK 锁存信号，其实也就是动态扫描的扫描频率信号，它 决定了 系统 的 扫描频率。 100 个并行信号 FPGA CLK 分组 0~9 10~19 20~29 30~39 40~49 50~59 60~69 70~79 80~89 90~99 扫描输出 传 0 感 1 器 2 检 3 测 4 到 的 信 号 99 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计 19 图 分组模块顶层图 分组 模块设计程序如下： library ieee。 use。 use。 entity fenzu is port(clk:in std_logic。 lock:in std_logic。 din:in std_logic_vector(99 downto 0)。 qout0,qout1,qout2,qout3,qout4, qout5,qout6,qout7,qout8,qout9:out std_logic_vector(9 downto 0) )。 end。 architecture behave of fenzu is signal temp:std_logic_vector(99 downto 0)。 begin process(clk,din) begin if lock=39。 139。 then temp=din。 elsif(clk39。 event and clk=39。 139。 ) then 基于 FPGA 的停车场停车位显示系统设计 20 qout0=temp(9 downto 0)。 qout1=temp(19 downto 10)。 qout2=temp(29 downto 20)。 qout3=temp(39 downto 30)。 qout4=temp(49 downto 40)。 qout5=temp(59 downto 50)。 qout6=temp(69 downto 60)。 qout7=temp(79 downto 70)。 qout8=temp(89 downto 80)。 qout9=temp(99 downto 90)。 end if。 end process。 end。 显示模块顶层图及程序 如图 所示 din0～ din9 为上级分组模块分组后的十组信号，进入模块进行动态扫描；输出 hang,lie 分别是行和。