基于CPLD的温湿度测量和控制电路设计及其ASIC实现 二

^论文字数:33838,页数:84  附任务书

摘  要
 在许多场合，及时准确地获得目标的温度、湿度信息是十分重要的。近年来温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的蓬勃发展，温湿度的测控芯片也就相应地登上了历史的舞台，能够在工业农业等各领域中广泛使用。
    针对此领域中的发展方向，作者设计开发了一种运用数模混合信号，集温度、湿度测量和控制于一体的IC芯片。在前端运用基于施密特触发器为基础的松弛振荡器把温、湿度传感器的电阻值转换为频率的信号，从而把温度和湿度的变化转变为数字电路可以处理的频率信号的变化。采用等时采样方案及存放在只读存储器(ROM)中的数据，可以把来自施密特触发器的频率信号映射到实际温度和湿度;分析了在温度和湿度测量中碰到的不同的误差并提出了相应的校正方案:还根据实际需要加入了控制模块，实现了集温度和湿度测量、控制于一体的电路;针对掉电问题采取了相应的措施，使用EEPROM来存储控制所设置的值，从而减少了烦琐的重新设置操作。
 作者使用硬件描述语言VHDL进行设计开发，在通过Xilinx Foundation的综合和软件模拟以及Xilinx4000XL可编程逻辑器件的硬件仿真的基础上，运用Synopsis和Cadence的EDA工具进行ASIC实现，采用无锡上华公司的库单元及0.6um双层多晶、双层铝标准CMOS工艺，在通过了版图后仿真之后进行了流片及测试，芯片的测试结果基本上达到了设计需求温度的测量范围为0~99,精度为±1;湿度的测量范围为50%RH---90%RH，精度为±10%RH ;能实现温湿度上下限的设置及实现制冷/加热(去湿/加湿)的控制。

关键词：温湿度测控，传感器，CPLD仿真，ASIC实现，智能化控制。

 Abstract
    In many occasions, it is very important to get the value of temperature and humidity correctly and rapidly. In recetrt years, the field of temperature and humidity's measurement and control (T&H's M&C) is developed quickly arid the chips of T&H's M&C gradually enter the life of people and will be widely used in industry and agriculture.
    In allusion to the direction of this field, we develop a mixed signal, digital chip,which has abilities to measure and control both temperature and humidity. A modified schmitt trigger based relaxation oscillator is used to convert thermistor and hygrometer resistances into a frequency signal .By the way of the same time sampling and data in a ROM(Read Only Memory), the schmitt trigger frequency can be mapped onto temperature and humidity. And then a general control module accomplish the control performance. And an EEPROM is used to store the setting value during controlling.
    An extensive analysis of various errors in temperature and humidity measurement is provided, We design it using VHDL language and finally software simulation using Xilinx Foundation arid hardware emulation using Xilinx XC40110 FPGA are also presented. Using EDA tools such as Synopsis and Cadence to realize it into ASIC. We synthesis this circuit with library cell of Huajing,Wuxi with 0.6um. After post-layout simulation, we taped it out and then test it using our PCB board with the good result.
 The chip can measure temperature to an accuracy of 1 in the range of 0 to 99, while humidity to an accuracy of 10%RH in the range of 50%RH to 90%RH. And after setting the value of max and min of T&H, it can realize the control of caiefaction/refrigeration or dryness/wetness.

 Keywords:  Temperature and humidity's measurement and control (T&H'M&C), Sensor, CPLD Emulation, ASIC Realization, Intellectualized Control

目　录
摘要…………………………………………………………………………………………III
Abstract………………………………………………………………………………………IV
第一章 绪论…………………………………………………………………………………1
 1.1 温湿度计的发展……………………………………………………………………1
 1.2 温湿度测控领域的现状……………………………………………………………2
 1.3 MAXPLUSII简介………………………………………………………………2
 1.4 本^论文的目标………………………………………………………………3
第二章 ASIC设计流程概述……………………………………………………………………4
 2.1 硬件描述语言………………………………………………………………………5
 2.2 CPLD硬件实现……………………………………………………………………6
    2.3 ASIC硬件实现……………………………………………………………………6
 2.4版图设计………………………………………………………………………7
 2.5 版图验证 ……………………………………………………………………………7   

2.5.1  DRC检查……………………………………………………………………7
 2.5.2 LVS检查……………………………………………………………8
    2.6  小结…………………………………………………………………………………9
第三章 温湿度测量控制电路原理………………………………………………………9
    3.1 基本原理…………………………………………………………………………10
 3.2 RC振荡电路……………………………………………………………………11
 3.3 采样电路……………………………………………………………………12
 3.3.1 采样计数器…………………………………………………………………13
 3.3.2 N的确定………………………………………………………………13
 3.3.3 基准计数器的字长…………………………………………………………13
 3.3.4 有限状态机…………………………………………………………………14
 3.4 ROM映射电路……………………………………………………………………15
 3.5 误差分析 ………………………………………………………………………16
     3.5.1外接元件数值随时间变化…………………………………………………16
     3.5.2 外接元件的误差………………………………………………………17
     3.5.3传感器随时间的变化 ……………………………………………………17
     3.5.4传感器的离散 ……………………………………………………………17
 3.6控制电路……………………………………………………………………………19
 3.7温湿度测量控制总电路……………………………………………………………20
 3.8 系统电源的电路设计…………………………………………………………21
 3.9  其它外围接口电路的设计………………………………………………………21
 3.9.1 LED七段译码显示器………………………………………………………23
 3.9.2报警器………………………………………………………………………24
 3.9.3高速数字光电耦合器HCPL-260L/060L…………………………………24
 3.10 硬件总体设计与连接……………………………………………………………25
 3.11 小结 ………………………………………………………………………………25 
第四章 ASIC设计及其实现…………………………………………………………………25
 4.1  HDL代码设计…………………………………………………………26
 4.1.1 采样模块…………………………………………………………………26
 4.1.2  映射模块……………………………………………………………………28
 4.1.3  控制模块……………………………………………………………………29
 4.1.4小结……………………………………………………………………………30
 4.2  基于ASIC的逻辑综合……………………………………………………………30
   4.2.1 综合工具介绍…………………………………………………………………30
   4.2.2 仿真结果………………………………………………………………………31
   4.2.3 小结……………………………………………………………………………33
 4.3 基于ASIC的自动布局布线 ………………………………………………………33
   4.3.1 自动布局布线工具介绍………………………………………………………34
 4.3.2仿真结果 ………………………………………………………………………35
 4.3.3 小结……………………………………………………………………………38
 4.4 版图的生成…………………………………………………………………………38
 4.5 小结…………………………………………………………………………………38
第五章 芯片测试……………………………………………………………………………38
 5.1 芯片介绍……………………………………………………………………………39
 5.2 测试系统……………………………………………………………………………39
 5.3 测试结果……………………………………………………………………………39
 5.3.1振荡电路的测试 ………………………………………………………………39
 5.3.2 温湿度的测量…………………………………………………………………40
 5.3.3 温湿度的控制…………………………………………………………………40
 5.3.4 温度的校准……………………………………………………………………41
 5.4 存在问题及其解决构想 ……………………………………………………………43
 5.5 小结 …………………………………………………………………………………45
参考文献……………………………………………………………………………46
总结与致谢…………………………………………………………………………………48
附录I…………………………………………………………………………………………49
 1.1基于CPLD的实现……………………………………………………………………49
 1.1.1采样模块…………………………………………………………………………50
 1.1.2 ROM映射模块 …………………………………………………………………52
 1.1.3控制模块…………………………………………………………………………53
 1.1.4说明及总结………………………………………………………………………54
 1.2基于CPLD的硬件仿真………………………………………………………………54
 1.2.1基于施密特触发器振荡电路的替代电路………………………………………55
 1.2.2温湿度定标………………………………………………………………………56
 1.2.3小结………………………………………………………………………………56
附录II…………………………………………………………………………………………57
 2各子模块源程序及其分析 ……………………………………………………………57
附录A：仿真波形图附录
附录B： CPLD芯片内部资源分配图
附录C： CPLD各个模块连接图

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