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65000字论文范文基于VHDL的水下机器人自动控制系统高级综合集成设计

论文类型:论文范文
论文字数:65000字
论点:设计,航行,系统
论文概述:

本文为楼宇自控论文,主要论述系统分析是进行系统集成设计的第一步,分析的过程就是对系统功能及要求的深入研究。本文对系统的核心控制器8051单片机的总体性能、特点及其结构进行了分

论文正文:

第一章导言
1.1选题的背景和意义
其自动控制系统的主要功能是自动控制部分或全部运动参数,以便车辆能够根据战术和技术要求的轨迹导航。水下航行器自动控制系统由航行器主体(受控对象)和根据闭环负反馈原理的自动控制装置组成。自动控制装置由作为核心控制的中央处理器(可以是单片机或微处理器)以及几个敏感元件、致动器系统中的控制元件和其他电路组成。因此,除了单片机之外,整个系统在一些印刷电路板上还有一些独立的器件。这种体系结构的缺点是:①体积大;(2)可靠性差,因为印刷电路板的可靠性远远落后于集成电路的可靠性,其抗干扰能力和抗损坏能力不如集成电路强;(3)由于系统由普通分离装置组成,作为军用产品,其保密性太差。如果微控制器及其外围电路可以集成在一个芯片上,上述缺点可以被克服。因此,本文的主要工作是研究水下机器人自动控制系统的集成设计技术。
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1.2专用集成电路高级设计方法概述
这迫使我们研究新的设计策略、设计方法和设计工具。最重要的策略是设计重用。目前,集成电路产品的集成度仍然保持每18个月翻一番(摩尔定律),而产品的生命周期日益缩短。因此,提高专用集成电路芯片的设计速度迫在眉睫。其中,最重要的是尽可能重用现有的设计结果,采用具有知识产权的功能单元块(IP)。因此,我们必须重视知识产权的开发和再利用。在设计方法方面,有必要在更高层次上研究电子设计自动化工具的使用。目前,我国专用集成电路设计行业的基本情况是芯片设计和开发严重滞后于电子产品开发的需求和芯片生产线的生产能力。此外,设计并投入生产的专用集成电路产品种类单一,品种太少,性能低下。要改变这种状况,提高设计能力是当务之急。最有效的方法是采用高层次的设计方法——HLD(High Level Design),这样设计师就可以从高层次开始设计。目前,RTL(寄存器传输级)综合方法已经被设计者所接受。然而,自20世纪90年代以来,芯片集成的增加和市场需求的变化非常迅速,要求集成电路的设计周期显著缩短。现有的寄存器传输级设计方法已经达到了能力极限。ASIC设计者需要在比寄存器传输级别更高的抽象级别上进行设计。因此,高层次综合的设计方法和工具已经成为当今世界电子设计领域最热门的研究课题。
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第二章描述了基于VHDL系统的算法级行为
2.1水下机器人自动控制系统分析
2.1.18051单片机系统结构
MCS-51系列单片机是美国英特尔公司在20世纪80年代推出的高级8位单片机。因为它的结构和指令功能是根据工业控制的要求设计的,所以也被称为微控制器。它已广泛应用于工业控制、自适应控制、智能仪器、数据采集系统等领域。8051是MCS-51系列单片机的代表产品。本节将分析其系统结构。
一、8051单片机硬件结构特点
8051单片机的硬件结构有以下主要特点:
(1)适合控制应用的8位中央处理器。
(2)片上程序存储器的4K字节(只读存储器格式)。
(3)128字节片内数据存储器和21个特殊功能寄存器。
(4)4个输入/输出端口和32个输入/输出端口,特别是有一个全双工串行端口,由两个1 /0端口组成,有四种工作模式可供编程选择。
(5) 64KB的外部数据存储器可以寻址,而64KB的内部和外部总空用于程序存储器。
(6)有5个中断源,分为2个优先级,每个中断源的优先级是可编程的。它的堆栈位置也是可编程的,堆栈深度为128字节。
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2.2系统的算法行为描述
水下机器人自动控制系统是一个复杂的数字系统(以下简称系统)。当用VHDL描述时,为了使实现的vHDL编码结构良好、可读、全面、高效,在描述中提出了以下策略。
首先,采用统一的信号命名规则
对于复杂的数字系统,有许多模块组成,每个模块之间有更多的接口信号。如果没有统一的管理,描述过程中就会出现错误。因此,在描述系统的过程中,我们给了信号一个统一的名称。信号名称以字母开头。由“_ _”组成的字符串,具有一定的含义,通常表示信号的含义、来源或用途。例如,最后一次失败时间表示最后一次失败时间标记,启动计数表示开始计数标记,等等。
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第三章专用集成电路高级综合理论与方法37
3.1 VHDL综合子集37的建立
3.2设计表示的中间数据格式44
3.3操作调度算法58
3.4资源分配79
3.5控制信息的提取88
3.6总结92
第四章是先进综合实现的初步研究94
4.1《塔林2000ASIC高级自动设计系统》94
4.2高级综合实施初步研究95
4.3概述105
第五章水下机器人自动控制系统的软件设计
5.1水下航行器空之间运动方程的建立
在第一章的介绍中,有人说,对于一个集成系统来说,某些特定功能所需的嵌入式硬件和嵌入式软件被集成在一个芯片中。本章将研究水下机器人自动控制系统的软件设计。水下机器人自动控制系统软件的主要功能是自动控制水下机器人的运动参数,以保证水下机器人按照战术技术要求进行轨迹导航。因此,水下机器人自动控制系统的软件设计是水下机器人自动控制系统集成设计的重要组成部分。本章将首先建立水下机器人空之间的运动方程,为控制系统的设计奠定基础,然后从工程应用的角度研究两种变结构控制方法:输出反馈变结构控制方法和非线性变结构控制方法。详细讨论了水下机器人变结构控制系统的理论、设计步骤、设计和仿真。
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第六章全文总结
系统分析是系统集成设计的第一步。分析过程是对系统功能和需求的深入研究。本文分析了系统核心控制器8051单片机的总体性能、特点和结构,对MCS-51指令系统进行了总体介绍,并给出了其中央处理器的时序。本文还提出了8051单片机及外围电路接口的设计方案。设计方案简单、合理、可行。在此基础上,给出了系统的结构框图。高级综合的输入是系统的算法行为描述。本文深入研究了VHDL语法结构,提出了算法级行为描述的特点和行为描述策略。因此,设计了自治水下机器人系统的算法级行为描述程序。该程序具有良好的VHDL编码结构和较强的可读性,约3000行。提出了复杂数字系统的仿真策略,设计了VHDL测试基准程序,完成了系统功能模块的仿真验证。本文从专用集成电路设计的角度,深入探讨了专用集成电路高级综合的理论和方法。本文系统地分析了VHDL语言的可合成性问题,并结合实际的高级合成系统讨论了VHDL合成子集的建立和实现。根据本文选择的VHDL综合子集,建立了高级综合设计表示的中间数据格式——CDFG模型,提出了所选VHDL子集的基本语句的CDFG表示,给出了CDFG的自动生成方法,并总结了其特点。
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参考文献(省略)