基于FPGA的燃气表的设计与实现

论文摘要

随着信息技术的快速发展,人们的生活方式变得越加智能化。IC卡技术的广泛应用极大的提高了人们的生活水平。IC卡预付费管理的智能燃气表比过去人工抄表的燃气表系统有了很大的改进,提高了设备的智能性和工作人员的效率,但由于系统集成度低、故障范围大,使的燃气公司需要更多的人力、财力进行产品的后期维护。专用芯片可以提高系统的集成度和降低故障率,便于快速检修排出故障,因此,燃气表芯片的设计使用对智能IC卡燃气表的发展有着重大的现实意义。本文通过了解当前燃气表的现状,分析产品上的优缺点,根据智能燃气表的功能,设计了以FPGA平台为核心,各功能电路模块为外设,IC卡为信息载体的智能IC卡燃气表。整个系统包括硬件电路设计和调试、软件设计和调试、低功耗设计、平台分析和系统的软硬件联调。硬件主要包括Altera系列FPGA、数据存储电路、IC卡读写电路、段式液晶显示电路、电源稳压和检测电路、电机阀门驱动电路和硬件看门狗电路。软件主要分为主控制模块、数据存储模块、计量和电源电压检测电路、IC卡读写模块驱动和液晶驱动等软件设计。通过系统软硬件联调来验证外围电路的功能,使得系统功能齐全、性能稳定。论文通过分析FPGA工作时的静态功耗和动态功耗,寻找降低功耗的途径和切实可行的方法来降低系统功耗。通过门控时钟和状态机优化等调整软件架构的设计方法来降低工作功耗,同时对带有低功耗模式FPGA选型和IGLOO系列低功耗结构分析,在满足产品需求的情况下确定芯片流片平台。本文还通过介绍仿真平台来验证ASIC模型并进行综合分析,根据结果修改软件。通过整个系统的软硬件设计,满足了燃气公司对下一代智能燃气表的功能需求,同时对当前使用的燃气表进行了结构简化,集成了逻辑电路和液晶驱动芯片,从而降低了硬件成本和产品后期的维护难度。通过使用FPGA平台,设计了燃气表芯片的前期设计模型,采用了低功耗的模式设计满足了燃气表对低功耗的苛刻要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 管道燃气表的发展现状
• 1.1.2 国内外IC卡应用现状和发展趋势
• 1.1.3 低功耗集成电路和智能燃气表
• 1.2 研究现状及燃气表控制器的关键技术
• 1.2.1 计量精度问题
• 1.2.2 智能化设计问题
• 1.2.3 低功耗设计问题
• 1.3 课题主要内容及论文安排
• 1.4 本章小结
• 第2章 智能卡燃气表的总体设计方案
• 2.1 燃气表的基本设计思路
• 2.2 系统总体框图
• 2.3 智能燃气表的工作原理及功能
• 2.3.1 工作原理
• 2.3.2 系统功能模块和需求分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 煤气表系统的软硬件实现
• 3.1 FPGA的选型
• 3.2 系统电源电路设计
• 3.3 计量和阀门控制电路设计
• 3.4 存储器接口及硬件看门狗电路
• 3.5 液晶驱动电路的硬件设计
• 3.6 系统硬件测试
• 3.7 智能IC卡燃气表软件设计
• 3.8 本章小结
• 第4章 逻辑加密卡的读写
• 4.1 IC卡的选择
• 4.1.1 存储卡
• 4.1.2 逻辑加密卡
• 4.1.3 CPU卡
• 4.2 SLE4442卡的工作原理
• 4.3 SLE4442卡的读写
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统测试
• 5.1 硬件测试
• 5.1.1 系统电源测试
• 5.1.2 电机阀门驱动测试
• 5.1.3 计量信号和IC卡电源控制电路检测
• 5.2 软件仿真测试
• 5.2.1 IC卡读写仿真
• 5.2.2 EEPROM读写仿真
• 5.2.3 液晶集成驱动仿真
• 5.3 系统联调
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 系统完成工作
• 6.2 进一步研究设想
• 致谢
• 参考文献
• 附录