彩燈控制器課程設(shè)計(jì)資料

1、 20162017學(xué)年 第一學(xué)期數(shù)字電子技術(shù)課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目： 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電子信息 班 級(jí)： 08電子信息1 姓 名： 張三、李四 指導(dǎo)教師： 周珍艮 電氣工程系2016年X月X日數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師（職稱）周珍艮（副教授）執(zhí)行時(shí)間20162017學(xué)年第一學(xué)期 第XX周學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù)設(shè)計(jì)目的1、掌握VHDL語言的基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2、掌握利用VHDL語言進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)要求用FPGA和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，能夠測量05V之間的直流電壓，用三個(gè)數(shù)碼管顯示被測電壓，要求小數(shù)點(diǎn)后有兩位數(shù)字顯示。第1章 

2、EDA簡介 . 1第2章 彩燈控制器的設(shè)計(jì)原理 . 2第3章 程序設(shè)計(jì)和分析 . 3第4章 波形仿真分析 . 第5章 硬件測試 . 11第6章 心得體會(huì) . 12第1章 EDA簡介 EDA技術(shù)（即Electronic Design Automation技術(shù)）就是依賴強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件平臺(tái)上，對(duì)以硬件描述語言HDL （Hardware Ddscription Lang

3、urage）為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、布局布線以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實(shí)現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。它在硬件實(shí)現(xiàn)方面融合了大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、IC版圖設(shè)計(jì)、ASIC測試和封裝、FPGA(Gield Peogrammable Gate Array)/CPLD(Complex Programmable Logic Device)編程下載和自動(dòng)測試等技術(shù)；在計(jì)算機(jī)輔助工程方面融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)，計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM），計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT），計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)以及

4、多種計(jì)算機(jī)語言的設(shè)計(jì)概念；而在現(xiàn)代電子學(xué)方面則容納了更多的內(nèi)容，如電子線路設(shè)計(jì)理論、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)建模和優(yōu)化技術(shù)及長線技術(shù)理論等。硬件描述語言HDL是EDA技術(shù)的重要組成部分，常見的HDL主要有VHDL、Verilog HDL、ABEL、AHDL、System Verilog和SystemC。其中VHDL、Verilog和現(xiàn)在的EDA設(shè)計(jì)中使用最多，并且我們學(xué)習(xí)的是VHDL的編程方法和實(shí)用技術(shù)。VHDL的英文全名是VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware 

5、Description Language,由IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineets）進(jìn)一步發(fā)展，并在1987年作為“IEEE標(biāo)準(zhǔn)1076”公布。從此VHDL成為硬件描述語言的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)之一。VHDL技術(shù)與傳統(tǒng)的數(shù)字電子系統(tǒng)或IC設(shè)計(jì)相比之下有很大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：第一， VHDL語言具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力，能從多個(gè)層次對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建 模和描述，從而大大簡化了硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率和可靠性。第二， VHDL

6、具有也具體硬件電路武官和與設(shè)計(jì)平臺(tái)無關(guān)的特性，并且具有良好的電 路行為描述和系統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面，表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力。EDA書中所給出的所有的實(shí)力和實(shí)驗(yàn)都是基于Quartus 6.0的，其應(yīng)用方法和設(shè)計(jì)流程對(duì)于其他流行EDA工具的使用具有一定的典型性和普遍性。它提供了完整的多平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境，能滿足各種特定設(shè)計(jì)的需要，也是單芯片可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)的基本設(shè)計(jì)工具，并為Altera DSP開發(fā)包進(jìn)行系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)提供了集成綜合環(huán)境。Quartus 6.0包括模塊化的編譯器。編譯器包括的功能模塊有分析/綜合器（An

7、alysis  Synthesis）、適配器（Fitter）、裝配器（Assembler）、時(shí)序分析器（TimingAnalyzer）、設(shè)計(jì)輔助模塊（Design Assistant）、EDA網(wǎng)表文件生成器（EDA Netlist Writer）、編輯數(shù)據(jù)接口（Compiler Database Interface）等。可以通過選擇Start Compilation來運(yùn)行所有的編譯器模塊，也可以通過選擇Start單獨(dú)運(yùn)行各個(gè)模塊。還可以通過選擇Compiler Tool，在Compiler To

8、ol窗口中運(yùn)行該模塊來啟動(dòng)編譯器模塊。第2章 彩燈控制器的設(shè)計(jì)原理本次彩燈控制器的設(shè)計(jì)包含幾個(gè)主要模塊，一是彩燈顯示和揚(yáng)聲器的時(shí)序控制部分，二是發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)顯示和數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，本次設(shè)計(jì)中，二者的顯示同步變化；三是揚(yáng)聲器的控制部分。流程圖如下所示：圖1 彩燈控制器的設(shè)計(jì)流程圖彩燈控制器的設(shè)計(jì)核心主要是分頻器的使用，顯示部分的設(shè)計(jì)較簡易。分頻的方法有很多種，本次設(shè)計(jì)之采用了其中較簡易的一種，通過計(jì)數(shù)器的分頻，將控制器外接的頻率分為幾個(gè)我們預(yù)先設(shè)定的值。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值，即產(chǎn)生一個(gè)上升沿，從而實(shí)現(xiàn)分頻。 揚(yáng)聲器通過不同的頻率控制發(fā)出不同的聲音。同樣發(fā)光二

9、極管和數(shù)碼管的顯示速度也由其中分出來的一種頻率控制（控制顯示頻率在14之間為宜）。通過使能端的控制可以控制不同的數(shù)碼管顯示預(yù)先設(shè)定的圖案，數(shù)碼管依次顯示的圖案為AA、BB、CC，并隨著發(fā)光二極管同步動(dòng)態(tài)顯示。AA為自左向右顯示，BB為自右向左顯示，CC從二邊向中間再由中間向二邊發(fā)散顯示。與此同時(shí)，顯示不同的花型時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出不同的聲音，代表不同的花型。本次設(shè)計(jì)還帶有復(fù)位功能，通過復(fù)位可以使彩燈控制器恢復(fù)到最初的狀態(tài)。第3章 程序設(shè)計(jì)和分析library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_

10、unsigned.all;建立設(shè)計(jì)庫和標(biāo)準(zhǔn)程序包實(shí)體部分：entity pan isport(clk:in std_logic;clr:in std_logic;speak:out std_logic;led7s1:out std_logic_vector(6 downto 0);led7s2:out std_logic_vector(7 downto 0);led_selout:out std_logic_vector(7 downto 0);end&#

11、160;entity;實(shí)體名為pan,定義端口，輸入端口為clk和clr ,其中clk接脈沖信號(hào)，clr接復(fù)位端；輸出端口speak接揚(yáng)聲器，led7s1接數(shù)碼管的七段顯示部分，led7s接八個(gè)發(fā)光二極管，led_selout接八個(gè)數(shù)碼管的使能端，控制數(shù)碼管的循環(huán)顯示。結(jié)構(gòu)體部分：architecture one of pan issignal s: std_logic_vector(4 downto 0);signal clk1:std_logic;signal clk2:std_l

12、ogic;signal clk3:std_logic;定義4個(gè)信號(hào)，cq,cllk1,clk2,cess(clk)variable a:std_logic_vector(5 downto 0);begin10:55:54if clr='1' thenclk1<='0' - 復(fù)位信號(hào)控制部分elseif clk'event and clk='1'thenif a="110010"t

13、hena:="000000"clk1<='1'elsea:=a+1;clk1<='0'end if;end if;end if;end process;以上程序?yàn)榈谝淮畏诸l，為50分頻，當(dāng)clk發(fā)生變化，使a從000000變化到110010時(shí) 產(chǎn)生一個(gè)上升沿clk1。如果a沒有變化到110010則a繼續(xù)自加，直到110010為止產(chǎn)生下一個(gè)上升沿。process(clk)variable b:std_logic_vector(4 downto 0);be

14、ginif clr='1' thenclk2<='0' -復(fù)位信號(hào)elseif clk'event and clk='1'thenif b="11001"thenb:="00000"clk2<='1'elseb:=b+1;clk2<='0'end if;end if;end if;end process;以上程序?yàn)閷?duì)clk進(jìn)行25分頻，原理同

15、上，產(chǎn)生信號(hào)cess(clk)variable c:std_logic_vector(2 downto 0);beginif clr='1' thenclk3<='0' -復(fù)位信號(hào)elseif clk'event and clk='1'thenif c="111"thenc:="000"clk3<='1'elsec:=c+1;clk3<='0&

16、#39;end if;end if;end if;end process;以上程序?yàn)閷?duì)clk進(jìn)行8分頻，產(chǎn)生一個(gè)新的時(shí)鐘脈沖信號(hào)clk3。數(shù)碼管及二極管循環(huán)顯示時(shí)序控制程序：process(clk2)variable z:integer range 0 to 20;beginif clr='1' thens<="00000" -復(fù)位信號(hào)elseif clk'event and clk='1

17、'thenz:=z+1;if z=20then s<=s+1;s:=0;if s="10111" then s<="00000"else s<=s+1;end if;end if;end if;end if;end process;該段程序的目的是對(duì)clk2再進(jìn)行一次分頻，當(dāng)clk2發(fā)生變化，并且變化為上升沿時(shí)，z就加1，直到加到為20時(shí)，s就發(fā)生變化，加1，每當(dāng)s發(fā)生變化，加到30時(shí)，s就加1。當(dāng)s從00000變化到1

18、0111時(shí)，就對(duì)s清零，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示管和發(fā)光二極管的循環(huán)顯示，以達(dá)到顯示速度的要求。發(fā)光二極管及數(shù)碼管顯示程序：process(s)begincase s iswhen "00000"=>led7s1<="0001000"led7s2<="01111111"speak<=clk1;led_selout<="11000000" when "00001"=>led7s1<="0001000&qu

19、ot;led7s2<="10111111"speak<=clk1;led_selout<="01100000" when "00010"=>led7s1<="0001000"led7s2<="11011111"speak<=clk1;led_selout<="00110000" when "00011"=>led7s1<="0001000"

20、;led7s2<="11101111"speak<=clk1;led_selout<="00011000" when "00100"=>led7s1<="0001000"led7s2<="11110111"speak<=clk1;led_selout<="00001100" when "00101"=>led7s1<="0001000"l

21、ed7s2<="11111011"speak<=clk1;led_selout<="00000110" When"00110"=>led7s1<="0001000"led7s2<="11111101"speak<=clk1;led_selout<="00000011" When "00111"=>led7s1<="0001000"led7s2<

22、;="11111110"speak<=clk1;led_selout<="10000001" 此段程序就是當(dāng)敏感信號(hào)s發(fā)生變化，對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行置位和置型，0001000也就是對(duì)相應(yīng)的數(shù)碼管使之顯示花型為A，通過對(duì)數(shù)碼管使能端的置位，控制顯示的數(shù)碼管顯示為AA ，并且發(fā)光二極管最右邊顯示為亮。當(dāng)S每變化一次，數(shù)碼管向左移動(dòng)一格，發(fā)光二極管也同步向左移動(dòng)，每次只亮一個(gè)燈。當(dāng) s變化到00111之后執(zhí)行下一段程序，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。when "01000"=>led7s1<=&

23、quot;0000011"led7s2<="11111110"speak<=clk2;led_selout<="00000011" When "01001"=>led7s1<="0000011"led7s2<="11111101"speak<=clk2;led_selout<="00000110" When "01010"=>led7s1<=&qu

24、ot;0000011"led7s2<="11111011"speak<=clk2;led_selout<="00001100" when "01011"=>led7s1<="0000011"led7s2<="11110111"speak<=clk2;led_selout<="00011000" when "01100"=>led7s1<="

25、;0000011"led7s2<="11101111"speak<=clk2;led_selout<="00110000" When "01101"=>led7s1<="0000011"led7s2<="11011111"speak<=clk2;led_selout<="01100000" when "01110"=>led7s1<="0

26、000011"led7s2<="10111111"speak<=clk2;led_selout<="11000000" when "01111"=>led7s1<="0000011"led7s2<="01111111"speak<=clk2;led_selout<="10000001" 此段程序就是當(dāng)敏感信號(hào)s發(fā)生變化至01000時(shí)，對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行置位和置型，0000011也就是對(duì)相應(yīng)的數(shù)碼

27、管使之顯示花型為B，通過對(duì)數(shù)碼管使能端的置位，控制顯示的數(shù)碼管顯示為BB ，并且發(fā)光二極管最左邊顯示為亮。當(dāng)S每變化一次，數(shù)碼管向右移動(dòng)一格，發(fā)光二極管也同步向右移動(dòng)，每次只亮一個(gè)燈。當(dāng) s變化到01111之后執(zhí)行下一段程序，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。when "10000"=>led7s1<="1000110"led7s2<="01111110"speak<=clk3;led_selout<="10000001" When"10001&qu

28、ot;=>led7s1<="1000110"led7s2<="10111101"speak<=clk3;led_selout<="01000010" When"10010"=>led7s1<="1000110"led7s2<="11011011"speak<=clk3;led_selout<="00100100" when "10011"=>

29、led7s1<="1000110"led7s2<="11100111"speak<=clk3;led_selout<="00011000" When"10100"=>led7s1<="1000110"led7s2<="11100111"speak<=clk3;led_selout<="00011000"When"10101"=>led7s1<="100

30、0110"led7s2<="11011011"speak<=clk3;led_selout<="00100100"when"10110"=>led7s1<="1000110"led7s2<="10111101"speak<=clk3;led_selout<="01000010" when "10111"=>led7s1<="1000110"led7

31、s2<="01111110"speak<=clk3;led_selout<="10000001" when others=>null;end case;end process;end;此段程序就是當(dāng)敏感信號(hào)s發(fā)生變化至10000時(shí)，對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行置位和置型，1000110也就是對(duì)相應(yīng)的數(shù)碼管使之顯示花型為C，通過對(duì)數(shù)碼管使能端的置位，控制顯示的數(shù)碼管顯示為CC ，并且發(fā)光二極管最左邊第一個(gè)和最右邊第一個(gè)顯示為亮。當(dāng)S每變化一次，數(shù)碼管向中間移動(dòng)一格，發(fā)光二極管也同步中間移動(dòng)，可以看到

32、由二邊向中間移動(dòng)再發(fā)散到二邊的變化過程。當(dāng) s變化到10111之后執(zhí)行再循環(huán)顯示A花型，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。第4章 波形仿真分析程序經(jīng)過編譯之后即可進(jìn)行波形的仿真，為了方便觀察顯示結(jié)果，這里調(diào)節(jié)仿真時(shí)間為3us ,脈沖頻率clk的周期為5ns，復(fù)位信號(hào)暫且不進(jìn)行仿真.。執(zhí)行Quartus軟件中的processing-> start simulation選項(xiàng)，即可觀察到波形仿真圖像。如下圖所示為顯示花型AA的仿真結(jié)果。圖2 花型A波形仿真圖由圖2可知，當(dāng)clk發(fā)生變化，來上升沿時(shí)，led7s1為0001000即數(shù)碼管首先顯示為花型

33、A 二極管按規(guī)定的顯示，首先led7s2位01111111即最右邊的二極管亮燈，led_selout為11000000即最右邊的2個(gè)數(shù)碼管顯示2個(gè)A的花型。當(dāng)clk變化到規(guī)定次數(shù)時(shí)二極管的顯示開始按左移動(dòng)，數(shù)碼顯示管也向左移動(dòng)。Led7s2依次變化0111111111111110，實(shí)現(xiàn)二極管的向左移動(dòng)；led_selout也依次變化1100000000000011實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示管的向左移動(dòng)。同時(shí)當(dāng)clk信號(hào)變化50次時(shí)產(chǎn)生一個(gè)上升沿clk1，控制揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。圖3 花型BB的波形仿真圖由圖3可知，當(dāng)clk發(fā)生變化，來上升沿時(shí)，led7s1為0000011即數(shù)碼管首先顯示為花

34、型B二極管按規(guī)定的顯示，首先led7s2位11111110即最右邊的二極管亮燈，led_selout為00000011即最右邊的2個(gè)數(shù)碼管顯示2個(gè)B的花型。當(dāng)clk變化到規(guī)定次數(shù)時(shí)二極管的顯示開始向右移動(dòng)，數(shù)碼顯示管也向右移動(dòng)。Led7s2依次變化1111111001111111，實(shí)現(xiàn)二極管的向右移動(dòng)；led_selout也依次變化0000001111000000實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示管的向右移動(dòng)。同時(shí)當(dāng)clk信號(hào)變化25次時(shí)產(chǎn)生一個(gè)上升沿clk2，控制揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。圖4 花型C的波形仿真圖由圖4可知 當(dāng)clk發(fā)生變化，來上升沿時(shí)，led7s1為1000110即數(shù)碼管首先顯示為花型

35、C二極管按規(guī)定的顯示，首先led7s2位01111110即最右邊和最右邊的二極管亮燈，led_selout為10000001即最右邊和最左邊的2個(gè)數(shù)碼管顯示2個(gè)C的花型。當(dāng)clk變化到規(guī)定次數(shù)時(shí)二極管的顯示開始向中間移動(dòng)，數(shù)碼顯示管中的花型也向中間移動(dòng)，然后再由中間向倆邊移動(dòng)。Led7s2依次變化011111101110011101111110，實(shí)現(xiàn)二極管的向中間移動(dòng)再向倆邊移動(dòng)；led_selout也依次變化100000010001100010000001實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示管的向中間再向倆邊移動(dòng)。同時(shí)當(dāng)clk信號(hào)變化8次時(shí)產(chǎn)生一個(gè)上升沿clk3，控制揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。第5章 硬件測試波形仿

36、真完成之后即可進(jìn)行引腳的分配，并進(jìn)行編程下載至硬件進(jìn)行測試。在Quartus 中選擇Assignments->Assignments Editor,在Assignments Editor窗口中選擇pin標(biāo)簽頁，即可分配引腳，引腳的分配情況如圖5所示。圖5 引腳分配圖如上圖所示，在實(shí)驗(yàn)過程中clk的引腳選擇J16即可外接頻率源，實(shí)驗(yàn)過程中選擇的頻率為1KHZ。其余數(shù)碼管和二極管以及8個(gè)數(shù)碼管的使能端引腳分配見上圖，復(fù)位鍵引腳T10對(duì)應(yīng)的按鍵。選擇process->start compilation,重新編譯，完成后形成可配置到FPGA的pan.sof文件和配置到外部的pan.pof文件。編程下載，在quartus軟件中，選擇tools/programmer，在Mode中選擇J