2022年基于SOPC的彩灯控制器设计课程设计.docx

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1、精品学习资源湖南工程学院课 程设 计课程名称嵌入式系统课程设计课题名称 基于 SOPC 地彩灯掌握器设计专业电子科学与技术班级0000学姓号名00指导老师000002021年 11 月 4 日欢迎下载精品学习资源设计内容与设计要求一 设计内容：采纳 SOPC 技术设计一个彩灯掌握器；1、功能要求1）2）配置 NIOS II 软核系统；在基于 Eclipse 地 Nios 集成开发环境IDE ）上开发彩灯掌握器至少实现 8 个 LED ， 3 种以上地花色 .3）2、 功能扩展自拟二 设计要求：1. 设计思路清晰，给出整体设计框图2. NIOS II 处理器挑选配置合理；3. 仿真 、调试、验证

2、电路模块；4. 撰写设计报告 .欢迎下载精品学习资源主要设计条件1. PC 机电脑；2. ED1 SOPC 试验开发系统 .说明书格式1、2、3、4、5、6、7、8、9、课程设计封面；课程设计任务； 说明书目录； 设计总体方案；系统基本原理分析； 软件设计；系统调试；课程设计总结参考文献；10、 课程设计成果评分表 .欢迎下载精品学习资源进 度 安 排第一周星期一 上午 支配任务、讲课 .星期一 下午 - 星期二 下午 查资料、设计星期三开头 软件设计仿真其次周星期三 星期四1、 调试验收2、 写课程设计报告书星期五 答辩地 点：嵌入式微处理器及SOPC 试验室参 考 文 献1、 SOPC 嵌

3、入式系统基础教程北京航空航天出版社出版2、 SOPC 技术与应用机械工业出版社3、 SOPC 技术有用教程 清华高校出版社4、挑战 SOC - - 基于 NIOSII 地 SOPC 设计与实践 清华高校出版社5、 NiosII 嵌入式软核 SOPC 设计原理及应用北京航空航天高校出版社6、 FPGA 与 SOPC 设计教程 -DE2 实践 西安电子科技高校出版社欢迎下载精品学习资源目录摘要1第一章绪论01.1 SOPC 概述11.1.1 功能简介11.1.2 SOPC 对地进展过程11.1.3 SOPC 地优势11.2 NIOS II 工具基本模块介绍2其次章 彩灯掌握器地设计22.1 设计要

4、求22.1.1 设计任务22.1.2 设计内容32.1.3 设计要求32.2 设计思路32.2.1 设计流程图32.2.2 设计原理4第三章 程序设定与分析43.1 时序掌握部分43.2 发光二极管、数码管显示及扬声器掌握程序43.2.1 花型 A 显示程序43.2.2 花型 B 显示程序5第四章 波形仿真分析54.1 花型 A 波形仿真54.2 花型 B 波形仿真64.3 花型 B 波形仿真7心得体会9参考文献10欢迎下载精品学习资源摘要21 世纪，电子技术迅猛进展，高薪技术日新月异.传统地设计方法正逐步退出史地舞台，取而代之地是基于EDA编程器件现场可编程门阵列技术地芯片设计技术，它正在成

5、为电子系统设计地主流.大规模可SOPC 和复杂可编程规律器件CPLD 是当今应用最广泛地两类可编程专用集成电路 .近年来 ,EDA技术高速进展使现代电子产品向着功能多样化，体积最小化,功耗最低化地方向进展 .它与传统电子产品在设计上地显著优势就是: 第一大量使用大规模可编程规律器 件，以提 高 产品 性 能，缩 小 产 品 体 积，降 低 功 耗.其次是广泛运用现代化运算机技术,以提高电子设计自动化程度,缩短开发周期 ,提高产品地竞争力.所以把握这方面地应用极其重要，此题目就是基于SOPC 这一技术完成实现地 .众所周知，彩灯、流水灯、装饰灯等在日常生活和商业都有极其广泛地应用. 具有很高地商

6、业价值和讨论价值.而对于越来越千变万化要求极高地灯饰行业，相对传统地单片机来说， SOPC 地性价比越来越高，功能强大能轻松地完成对彩灯地掌握.此题目基于 SOPC 技术设计彩灯掌握器 .初步实现SOPC 技术在灯饰行业地简洁应用，为深化供应了一些有价值地参考资料.第一章绪论欢迎下载精品学习资源1.1 SOPC 概述System-on-a-Programmable-Chip ，即可编程片上系统 . 用可编程规律技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC.可编程片上系统（SOPC）是一种特别地嵌入式系统：第一它是片上系统（ SOC ），即由单个芯片完成整个系统地主要规律功能；其次，它是可编程系统

7、，具有敏捷地设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程地功能.1.1.1 功能简介SOPC 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术地全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（ RTOS）为中心地软件设计技术、以PCB 和信号完整性分析为基础地高速电路设计技术以外， SOPC 仍涉及以引起普遍关注地软硬件协同设计技术.由于 SOPC 地主要规律设计是在可编程规律器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统地调试设备，如：规律分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础地软硬件协同设计技术提出更高地要求 .同时，新地调试技术也已不断涌现出来，如

8、 Xilinx 公司地片内规律分析仪 Chip Scope ILA 就是一种价廉物美地片内实时调试工具.1.1.2 SOPC 对地进展过程始终以来 ,在开发一个典型地系统时,设计人员仍不得不采纳各种昂贵地, 分立地模拟器件协作可编程规律器件或者混合信号地ASIC 作为解决方案 .而 SOPC 是具有全部这些属性地现成部件 ,利用它可以便利地挑选器件来构成一个系统,而且可以依据系统地需要对处理 器地资源进行裁剪.此外 ,由于各个器件之间通过总线地链接是自动生成地,这就大大缩减了系统地开发周期 ,也因此 ,针对于特定器件IP 核地设计以及 IP 核地重用成为 SOPC 技术地进展地关键 .与传统方

9、法相比 ,SOPC 地设计方法必需有根本地转变,即从以功能设计为基础地 传统流程 ,转变到以功能组装为基础地全新流程.1.1.3 SOPC 地优势SOPC 技术地目标就是试图将尽可能大而完整地电子系统,包括嵌入式处理器系统,接口系统,硬件协处理器或加速器,DSP 系统,数字通信系统 ,储备电路以及一般数字系统等,在单一可欢迎下载精品学习资源编程片上系统中实现,使得所设计地系统在规模,牢靠性 ,体积, 功耗,功能 ,性能指标 ,上市周期 , 开发成本 ,产品保护及其硬件升级等多方面实现最优化,而这也是 SOPC 技术进展地根本方向.目前 SOPC 地进展趋势主要表达在以下四个方面:一是向更高密度

10、 ,更大容量地千万门系统级方向迈进；二是向低成本,低电压 ,微功耗 ,微封装和绿色化方向进展；三是IP 资源复用理念将得到普遍认同并成为主要地设计方式；四是嵌入式处理器IP 将成为 SOPC 地核心 .1.2 NIOS II工具基本模块介绍能够满意任何应用32 位嵌入式微处理器地需要，客户可以将第一代Nios 处理器设计移植到某种 Nios 处理器上， Altera 将长期支持现有FPGA 系列上地第一代Nios 处理器 . 另外， Altera供应了一键式移植选项，可以升级至Nios 系列 .Nios 处理器也能够在HardCopy 器件中实现， Altera 仍为基于 Nios 处理器地系

11、统供应ASIC 地移植方式 .Nios 处理器具有完善地软件开发套件，包括编译器、集成开发环境（IDE ）、 JTAG 调试器、实时操作系统（RTOS）和 TCP/IP 协议栈 .设计者能够用Altera Quartus 开发软件中地 SOPC Builder 系统开发工具很简洁地创建专用地处理器系统，并能够依据系统地需求添加 Nios 处理器核地数量 .使用 Nios 软件开发工具能够为Nios 系统构建软件，即一键式自动生成适用于系统硬件地专用C/C+ 运行环境 .Nios 集成开发环境（ IDE ）供应了很多软件模板，简化了工程设置 .此外， Nios 开发套件包括两个第三方实时操作系统

12、（RTOS） MicroC/OS-（ Micrium ）， Nucleus PlusATI/Mentor ）以及供网络应用使用地TCP/IP 协议栈 .长期以来， Altera始终推行嵌入式处理器战略地缘由是，随着应用地ASIC 开发日益受到成本地困扰， OEM 日渐转向 FPGA 来构建自己地系统.这些系统中绝大多数需要一个 处理器，而 Altera 正是为设计者供应了为FPGA 优化地敏捷地嵌入式处理器方案，可以满意 16 位和 32 位嵌入式处理器市场地需求.其次章 彩灯掌握器地设计2.1 设计要求2.1.1 设计任务欢迎下载精品学习资源基于 SOPC 地彩灯掌握器设计 .2.1.2 设

13、计内容采纳 SOPC 技术设计一个彩灯掌握器； 功能要求（ 1）配置 NIOS II 软核系统；（ 2） 在基于 Eclipse 地 Nios 集成开发环境 IDE ）上开发彩灯控器 .（ 3）至少实现 8 个 LED ， 3 种以上地花色 .2.1.3 设计要求（ 1）设计思路清晰，给出整体设计框图；（ 2） NIOS II 处理器挑选配置合理；欢迎下载精品学习资源（ 3）仿真 、调试、验证电路模块；2.2.1 设计流程图2.2 设计思路欢迎下载精品学习资源数码管动态显示彩灯掌握器时序掌握部分 （ 分 频发光二极管动态显示复 位扬 声 器 发生掌握图 1-1 彩灯掌握器地设计流程图欢迎下载精

14、品学习资源2.2.2 设计原理彩灯掌握器地设计核心主要是分频器地使用，显示部分地设计较简易.分频地方法有很多种，本次设计采纳了其中较简易地一种，通过计数器地分频，将掌握器外接地频率分为几个我们预先设定地值.当计数器达到预先设定地值，即产生一个上升沿，从而实现分频.扬声器通过不同地频率掌握发出不同地声音.同样发光二极管和数码管地显示速度也由 其中分出来地一种频率掌握（掌握显示频率在14 之间为宜） .通过使能端地掌握可以掌握不同地数码管显示预先设定地图案，数码管依次显示地图案为AA 、BB 、CC ，并随着发光二极管同步动态显示 .AA 为自左向右显示，BB 为自右向左显示，CC 从二边向中间再

15、由中间向二边发散显示 .与此同时，显示不同地花型时扬声器发出不同地声音，代表不同地花型.本次设计仍带有复位功能，通过复位可以使彩灯掌握器复原到最初地状态.第三章 程序设定与分析3.1 时序掌握部分定义 4 个信号， cq,cllk1,clk2,clk3. 第一次分频，为50 分频，当clk 发生变化，使a 从000000 变化到 110010 时产生一个上升沿clk1. 假如 a 没有变化到110010 就 a 连续自加，直到 110010 为止产生下一个上升沿 .对 clk 进行 25 分频，原理同上，产生信号clk2. 对 clk 进行 8 分频，产生一个新地时钟脉冲信号clk3.对 cl

16、k2 再进行一次分频，当clk2 发生变化，并且变化为上升沿时，z 就加 1，直到加到为 20 时， s就发生变化，加1，每当 s 发生变化，加到 30 时， s 就加 1.当 s 从 00000 变化到 10111 时，就对s 清零，从而实现数码显示管和发光二极管地循环显示，以达到显示速度地要求 .3.2 发光二极管、数码管显示及扬声器掌握程序3.2.1 花型 A 显示程序当敏锐信号 s 发生变化，对数码管进行置位和置型，0001000 也就是对相应地数码管使之显示花型为A ，通过对数码管使能端地置位，掌握显示地数码管显示为AA ，并且发光二极管最右边显示为亮.当 S 每变化一次，数码管向左

17、移动一格，发光二极管也同步向左欢迎下载精品学习资源移动，每次只亮一个灯.当 s 变化到 00111 之后执行下一段程序，同时扬声器发出声音.3.2.2 花型 B 显示程序当敏锐信号 s 发生变化至 01000 时，对数码管进行置位和置型，0000011 也就是对相应地数码管使之显示花型为B ，通过对数码管使能端地置位，掌握显示地数码管显示为BB ，并且发光二极管最左边显示为亮.当 S 每变化一次，数码管向右移动一格，发光二极管也同步向右移动，每次只亮一个灯.当 s 变化到 01111 之后执行下一段程序，同时扬声器发出声音 .当敏锐信号 s 发生变化至 10000 时，对数码管进行置位和置型，

18、1000110 也就是对相应地数码管使之显示花型为C，通过对数码管使能端地置位，掌握显示地数码管显示为CC ，并且发光二极管最左边第一个和最右边第一个显示为亮.当 S 每变化一次，数码管向中间移动一格，发光二极管也同步中间移动，可以看到由二边向中间移动再发散到二边地变化过程 .当 s 变化到 10111 之后执行再循环显示A 花型，同时扬声器发出声音.第四章 波形仿真分析4.1 花型 A 波形仿真程序经过编译之后即可进行波形地仿真，为了便利观看显示结果，这里调剂仿真时间为 3us ,脉冲频率 clk 地周期为 5ns，复位信号暂且不进行仿真.执行 Quartus 软件中地processing-

19、 start simulation 选即 可 观 察 到 波 形 仿 真 图 像 . 如 下 图 所 示 为 显 示 花 型 AA地 仿 真 结 果 .欢迎下载精品学习资源图 4-1 花型 A 波形仿真图由图 4-1 可知，当 clk 发生变化，来上升沿时，led7s1 为 0001000 即数码管第一显示为花型 A 二极管按规定地显示，第一led7s2 位 01111111即最右边地二极管亮灯，led_selout 为 11000000 即最右边地 2 个数码管显示 2 个 A 地花型 .当 clk 变化到规定次数时二极管地显示开头按左移动，数码显示管也向左移动.Led7s2 依次变化 01

20、11111111111110，实现二极管地向左移动；led_selout 也依次变化1100000000000011 实现数码显示管地向左移动.同时当 clk 信号变化 50 次时产生一个上升沿clk1 ，掌握扬声器发出声音.4.2 花型 B 波形仿真欢迎下载精品学习资源图 4-2 花型 BB 地波形仿真图由图 4-2 可知，当 clk 发生变化，来上升沿时，led7s1 为 0000011 即数码管第一显示为花型 B 二极管按规定地显示，第一led7s2 位 11111110即最右边地二极管亮灯，led_selout 为 00000011 即最右边地 2 个数码管显示 2 个 B 地花型 .

21、当 clk 变化到规定次数时二极管地显 示开头向右移动，数码显示管也向右移动.Led7s2 依次变化 1111111001111111，实现二极管地向右移动；led_selout 也依次变化0000001111000000 实现数码显示管地向右移动.同时当 clk 信号变化 25 次时产生一个上升沿clk2 ，掌握扬声器发出声音.4.3 花型 B 波形仿真欢迎下载精品学习资源图 4-3 花型 C 地波形仿真图由图 4-3 可知当 clk 发生变化，来上升沿时，led7s1 为 1000110 即数码管第一显示为花型 C 二极管按规定地显示，第一led7s2 位 01111110 即最右边和最右

22、边地二极管亮灯， led_selout 为 10000001 即最右边和最左边地2 个数码管显示 2 个 C 地花型 .当 clk 变化到规定次数时二极管地显示开头向中间移动，数码显示管中地花型也向中间移动，然后再由中间向俩边移动 .Led7s2 依次变化 011111101110011101111110，实现二极管地向中间移动再向俩边移动； led_selout 也依次变化 100000010001100010000001 实现数码显示管地向中间再向俩边移动 .同时当 clk 信号变化 8 次时产生一个上升沿clk3 ，掌握扬声器发出声音.欢迎下载精品学习资源心得体会本次设计地是彩灯掌握器地

23、设计，当打算选这个课题地时候经过分析就知道关键是计数器和分频器地使用，分频地方法有很多种，对于同一种功能地实现，用VHDL 可以采纳多种方式进行描述，每种方式之间各有优劣，本次设计只采纳了其中较简洁地一种，应尽量用最简洁地语言写出所需功能地程序.通过这次课程设计对技术有了更进一步地熟识，VHDL语言和语言等其他语言仍是有很大地区分 .VHDL是 EDA技术地重要组成部分，其具有与详细硬件电路无关和欢迎下载精品学习资源与设计平台无关地特性，并且具有良好地电路行为描述和系统描述地才能，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面，表现了强大地生命力和应用潜力.其主要地也是最大地优点就在于设计者可以用心致

24、力于其功能地实现，而不需要对不影响功能地与工艺有关地因素花费过多地时间和精力.在实际操作中发觉设计和课本上地学问有很大联系，但又高于课本，一个简洁地原理要把它应用以及和其他功能综合起来就有些困难.通过设计也巩固了我们地书本学问以及通过借阅书籍和上网查找资料，也丰富了自己对EDA 地明白 .不过本次设计也存在一些不足，暴露了自己对EDA地把握仍有所欠缺 .在设计过程中， 分频分地太大，频率太小地话，扬声器地声音表达不出显示不同花型时地区分；频率太大地话，数码管显示速度太快，尝试分频时使用不同地脉冲信号，但没有胜利. 在反复调试中，最终仍是胜利了，但原理仍不是很清晰.同时，在课程设计过程中通过与同

25、学地沟通及上网查找相关资料，也明白了他们对于这门技术地看法和今后这门技术地进展方向.总地来说，这次设计仍是有所收成地.参考文献1、 SOPC 嵌入式系统基础教程北京航空航天出版社出版2、 SOPC 技术与应用机械工业出版社3、 SOPC 技术有用教程 清华高校出版社4、挑战 SOC - - 基于 NIOSII 地 SOPC 设计与实践 清华高校出版社5、 NiosII 嵌入式软核 SOPC 设计原理及应用北京航空航天高校出版社6、 FPGA 与 SOPC 设计教程 -DE2 实践 西安电子科技高校出版社欢迎下载精品学习资源电气与信息工程系课程设计评分表评 价项目优良中及格差设计方案地合理性与制造性10%硬件设计或软件编程完成情形10%硬件测试或软件调试结果*10%设计说明书质量 10%设计图纸质量 10%欢迎下载精品学习资源答辩汇报地条理性和特殊见解10%答辩中对所提问题地回答情形10%完成任务情形 10%独立工作才能 10%出勤情形（ 10%）综 合 评 分指导老师签名： 日期： 注：表中标 * 号工程是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书地最终一页.课程设计说明书装订次序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K 大小地图纸及程序清单）.欢迎下载