2022年基于FPGA的数字秒表方案设计书.docx
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1、精品学习资源摘要:该设计是用于体育竞赛的数字秒表, 基于 FPGA在 Quartus II 9.0sp2软件下应用 VHDL语言编写程序 , 采纳 ALTRA公司 CycloneII系列的 EP2C8Q20芯8 片进行了运算机仿真,并给出了相应的仿真结果;本设计有效的克服了传统的数字秒表的缺点采纳 EDA技术实行自上而下的设计思路;绘制出了详细的规律电路,最终又通过硬件上对其进行调试和验证;该电路能够实现很好的计时功能, 计时精度高,最长计时时间可达一个小时;关键字:数字秒表; EDA;FPGA;VHDL;Quartus IIThe design of digital stop watch b
2、ased on FPGAAbstract : This design is a digital stop watch which is used for athletic contests and is based on FPGA using VHDL language to write program in Quartus II software,adopting EP2C8Q208 chip of CycloneIIseriesofALTRA company forcomputersimulationandatthesame time showingthecorrespondingsimu
3、lationresult.Thisdesigneffectively overcomes the traditional digital stop watch weaknesses and takes a top-downapproachtodesign.Drawoutaparticularlogiccircuits,andfinallypassthecircuitstothehardwaretodebug and verifyit.This circuitisabletocarryoutexcellenttimingfunction,hashightiming precision,and t
4、he longest timing time could reach an hour.Key Words: Digital stop watch; EDA;FPGA;VHDL; MAXPlus 引言数字秒表是日常生活中比较常见的电子产品,其设计也是EDA 技术中最基本的设计试验之一1 ;当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会;数字集成电路本身在不断进行更新换代 ,随着微电子技术的进展 ,设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担;系统设计师更情愿自己设计专业集成电路ASIC 芯片,而且期望设计周期尽可能短,最好在实 验室里就能设计出合适的ASIC 芯片并且立刻投入实际
5、应用之中,因而显现了现场可编程器件2( FPLD );现场可编程门阵列(FPGA )即属其中应用最广泛的一种;超高速硬件描述语言VHDL ,是对数字系统进行抽象的行为与功能描述到详细的内部线路结构描述,利用EDA 工具可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行运算机模拟验证,保证设计过程的正确性,可大大降低设计成本,缩短设计周期3 ;本文介绍的数字秒表,利用基于VHDL 的 EDA 设计工具, 采纳大规模可编程规律器件FPGA ,通过设计芯片来实现系统功能;给出了顶层电路图,和各模欢迎下载精品学习资源块的设计 .增加了排除抖动的掌握方法,排除了开关按键的机械抖动.通过编辑、编译和器件编程, 并将编
6、程器文件下载到SE-5 型 EDA 试验开发板上 4, 经实际电路测试验证 ,达到了预期的设计要求,显示结果精确无误; 概述在科技高度进展的今日,集成电路和运算机应用得到了高速进展;特别是运算机应用的进展;它在人们日常生活已逐步崭露头角;大多数电子产品多是由运算机电路组成,如:手机、mp3 等;而且将来的不久他们的身影将会更频繁的显现在我们身边;各种家用电器多会实现微电脑技术;电脑各部分在工作时多是一时间为基准的;本文就是基于运算机电路的时钟脉冲信号、状态掌握等原理设计出的数字秒表1 ;秒表在许多领域充当一个重要的角色;在各种竞赛中对秒表的精确度要求很高,特别是一些科学试验;他们对时间精确度达
7、到了几纳秒级别;1.1 设计要求(1) 能对 0 秒 59 分 59.99 秒范畴进行计时,显示最长时间是59 分 59 秒;(2) 计时精度达到 10ms;(3) 设计复位开关和启停开关,复位开关可以在任何情形下使用,使用以后计时器清零,并做好下一次计时的预备;1.2 数字秒表设计的目的本次设计的目的就是在把握EDA试验开发系统的初步使用基础上,明白EDA技术,对运算机系统中时钟掌握系统进一步明白,把握状态机工作原理,同时明白运算机时钟脉冲是怎么产生和工作的;在把握所学的运算机组成与结构课程理论学问时;通过对数字秒表的设计,进行理论与实际的结合,提高与运算机有关设计才能,提高分析、解决运算机
8、技术实际问题的才能;通过课程设计深化懂得运算机结构与掌握实现的技术,达到课程设计的目标;1.3 EDA 技术EDA是指以运算机为工作平台,融合了应用电子技术、运算机技术、智能化技术的最新成果而开发出的电子CAD 通用软件包,它依据硬件描述语言HDL完成的设计文件,自动完成规律编译、化简、分割、综合、优化、布局布线及仿真,直至完成对于特定目标芯片的适配编译、规律映射和编程下载等工作5 ;目前EDA主要帮助进行三个方面的设计工作:IC 设计、电子电路设计和PCB 设计;没有 EDA 技术的支持,想要完成超大规模集成电路的设计制造是不行想象的;反过来,生产制造技术的不断进步又必将对EDA 技术提出新
9、的要求 6 ;1.4 硬件描述语言 VHDL1.4.1 VHDL 的简介欢迎下载精品学习资源VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言;它在80 岁月的后期显现;最初是由美国国防 部开发出来供美军用来提高设计的牢靠性和缩减开发周期的一种使用范畴较小的设计语言;但是,由于它在肯定程度上满意了当时的设计需求,于是他在1987 年成为 A I/IEEE 的标准( IEEESTD 1076-1987 ); 1993 年更进一步修订,变得更加完备,成为A I/IEEE 的 A I/IEEE STD 1076- 1993 标准;目前,大多数的CAD 厂商出品的EDA软件都兼容了这种标准;自IEEE 公布了V
10、HDL的标准版本, IEEE-1076 (简称 87 版之后,各 EDA 公司相继推出了自己的VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口;此后 VHDL在电子设计领域得到了广泛的接 受,并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言;1993 年, IEEE 对 VHDL 进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述才能上扩展VHDL的内容,公布了新版本的VHDL ,即 IEEE 标准的1076-1993 版本,(简称93 版);现在, VHDL和 Verilog 作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA 公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言;有专家认为,
11、在新的世纪中,VHDL于 Verilog 语言将承担起大部分的数字系统设计任务;1.4.2 VHDL 语言的特点VHDL的程序结构特点是将一项工程设计,关于用VHDL和原理图输入进行CPLD/FPGA设计的粗略比较:在设计中,假如采纳原理图输入的设计方式是比较直观的;你要设计的是什么,你就直接从库中调出来用就行了;这样比较符合人们的习惯;在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内部开发完成后,其他的设计就可以直接调用这个实体;这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点;应用 VHDL进行工程设计的优点是多方面的4 ;(1) 与其他的硬件描述语言相比, VHDL具有更强的行为描述
12、才能,从而打算了他成为系统设计领域正确的硬件描述语言;强大的行为描述才能是躲开详细的器件 结构,从规律行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证;(2) VHDL 丰富的仿真语句和库函数,使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性,随时可对设计进行仿真模拟;(3) VHDL 语句的行为描述才能和程序结构打算了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能;符合市场需求的大规模系统高效,高速的完成必需有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现;(4) 对于用 VHDL完成的一个确定的设计,可以利用 EDA工具进行规律综合和优化,并自动的把 VHDL描述设计转变成门级网表;欢迎下载精品学
13、习资源(5) VHDL 对设计的描述具有相对独立性,设计者可以不懂硬件的结构,也不必治理最终设计实现的目标器件是什么,而进行独立的设计;1.4.3 VHDL的设计流程它主要包括以下几个步骤:(1) 文本编辑:用任何文本编辑器都可以进行,也可以用专用的HDL编辑环境;通常 VHDL文件储存为 .vhd 文件, Verilog文件储存为 .v 文件(2) 功能仿真:将文件调入 HDL仿真软件进行功能仿真,检查规律功能是否正确(也叫前仿真,对简洁的设计可以跳过这一步,只在布线完成以后,进行时序仿真)(3) 规律综合:将源文件调入规律综合软件进行综合,即把语言综合成最简的布尔表达式;规律综合软件会生成
14、 .edf或.edif的 EDA工业标准文件;(4) 布局布线:将.edf文件调入 PLD厂家供应的软件中进行布线,即把设计好的规律安放PLD/FPGA内;(5) 时序仿真:需要利用在布局布线中获得的精确参数,用仿真软件验证电路的时序;(也叫后仿真) 通常以上过程可以都在PLD/FPGA厂家供应的开发工具;(6) 器件编程2. 系统的设计流程2.1 设计规划本系统设计采纳自顶向下的设计方案,系统的整体组装设计原理图如图1 所示,它主要由掌握模块、时基分频模块,计时模块和显示模块四部分组成;各模块分别完成计时过程的掌握功能、计时功能与显示功能;欢迎下载精品学习资源图 1 系统组成图图 2 系统设
15、计框图如图 2 所示,计时掌握器的作用是掌握计时;计时掌握器的输入信号是启动,暂停和清零;为符合惯例,将启动和暂停功能设置在同一个按键上,按一次是启动,按其次次是暂停, 按第三次是连续;所以计时掌握器共有 2 个开关输入信号,即启动 /暂停和清零信号;计时电路的输入信号为4o96HZ时钟、计数答应,保持和清零信号,输出为IOMS 、10OMS 、 S 和 MIN 的计时数据;时基分频器是一个41 分频器,产生10MS 周期的脉冲用于计时电路时钟信号;显示电路为动态扫描电路;用以显示非常位、MIN 、10S、S、lOOMS 和 1OMS 信号;2.2 系统的原理图及各模块的程序欢迎下载精品学习资
16、源图 3 系统的整体组装设计原理图设计由掌握模块、时基分频模块,计时模块和显示模块四部分组成;各模块实现秒表不同的功能 7 ;图 3 就是整个系统原理图;2.2.1 掌握模块计时模块的作用是针对计时过程进行掌握;计时掌握模块可用俩个按钮来完成秒表的启动、停止和复位;部分源程序如下:library ieee ;use ieee.std_logic_1164.all ;use ieee.std_logic_unsigned.all ;entity control isport clk , start: in std_logic ;startstop,clks :out std_logic ;end
17、 control ;architecture aa of control issignal sstart,asstart: std_logic;signal count : std_logic_vector3 downto 0; 声明结构体所用的内部信号及数据类型begin clk_label:PROCESS clk 进程(敏锐表)BEGIN欢迎下载精品学习资源IF clkevent and clk=1 THEN 表示时钟的上升沿if count=1001 then count=0000; else count=count+1 ; end if ;sstart=start; 同步置数END I
18、F ;END PROCESS clk_label ;clkss_label:PROCESS sstart BEGINIF sstartevent and sstart=1 THEN asstart=not asstart;END IF ; 产生 10ms周期的脉冲,用于计时电路时钟信号END PROCESS clkss_label ;startstop=asstart;clks=count3 ;end aa;2.2.2 时基分频模块时基分频模块的作用把输入时钟信号变为分频输出信号;源程序:LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD
19、_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CB10 ISPORT CLK: IN STD_LOGIC;CO : OUT STD_LOGIC;END CB10 ;ARCHITECTURE ART OF CB10 ISSIGNAL COUNT:STD_LOGIC_VECTOR 3 DOWNTO 0;BEGIN PROCESSCLK BEGINIF RISING_EDGECLKTHEN欢迎下载精品学习资源IF COUNT=1001THEN COUNT=0000;CO=1 ;ELSECOUNT=COUNT+1;CO=0 ;END IF ;END IF ;END PROCESS ;END A
20、RT ;2.2.3 时模块计时模块执行计时功能,计时方法和运算机一样是对标准时钟脉冲计数9 ;他是由四个十进制计数器和俩个六进制计数器构成,其中毫秒位、十毫秒位、秒位和分位采纳十进制计数器,十秒位和非常位采纳六进制计数器10 ;源程序: 十进制计数器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CDU10 ISPORT CLK:IN STD_LOGIC ;CLR,EN:IN STD_LOGIC ;CN :OUT STD_LOGIC ;COUNT10:OUT STD_LOGIC_VE
21、CTOR3 DOWNTO 0 ;END CDU10 ;END IF ;END IF ;END PROCESS ;END ART ;欢迎下载精品学习资源 六进制计数器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CDU6 ISEND IF ;END IF ;END PROCESS ;END ART ; 计数器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY COUNT ISE
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