2022年基于SOPC的彩灯控制器设计 .pdf

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1、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 的彩灯控制器设计专业电子科学与技术班级0000 学号00 姓名指导教师00000 2013 年11 月4 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 18 页 - - - - - - - - - 设计内容与设计要求一 设计内容：采用 SOPC 技术设计一个彩灯控制器；1、功能要求1）配置 NIOS II 软核系统；2）在基于 Eclipse 的 Nios 集成开发环境(IDE ）上开发彩灯控制器3

2、）至少实现 8 个 LED ，3 种以上的花色。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 处理器选择配置合理；3 仿真 、调试、验证电路模块；4 撰写设计报告。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 18 页 - - - - - - - - - 主要设计条件1. PC 机电脑；2. ED1 SOPC 实验开发系统。说明书格式1、课程设计封面；2、课程设计任务；3、说明书目录；4、设计总体方案；5、系统基本原理分析；6、软件

3、设计；7、系统调试；8、课程设计总结9、参考文献；10、 课程设计成绩评分表。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 18 页 - - - - - - - - - 进 度 安 排第一周星期一上午安排任务、讲课。星期一下午 - 星期二下午查资料、 设计星期三开始软件设计仿真第二周星期三星期四1、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 实验室参 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

4、业出版社3、SOPC 技术实用教程清华大学出版社4、挑战 SOC - - 基于 NIOSII 的 SOPC 设计与实践 清华大学出版社5、NiosII嵌入式软核 SOPC 设计原理及应用北京航空航天大学出版社6、FPGA 与 SOPC 设计教程 -DE2 实践西安电子科技大学出版社名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 18 页 - - - - - - - - - 目录摘要 . 1第一章绪论 2 1.1 SOPC概述 2 1.1.1 功能简介 2 1.1.2 SO

5、PC对的发展过程 2 1.1.3 SOPC的优势 3 1.2 NIOS II工具基本模块介绍 3 第二章彩灯控制器的设计 4 2.1 设计要求 4 2.1.1 设计任务 4 2.1.2 设计内容 4 2.1.3 设计要求 4 2.2 设计思路 4 2.2.1 设计流程图 4 2.2.2 设计原理 5 第三章程序设定与分析 5 3.1 时序控制部分 5 3.2 发光二极管、数码管显示及扬声器控制程序 6 3.2.1 花型 A显示程序 6 3.2.2 花型 B显示程序 6 第四章波形仿真分析 7 4.1 花型 A波形仿真 7 4.2 花型 B波形仿真 8 4.3 花型 B波形仿真 9 心得体会 1

6、1 参考文献 12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 18 页 - - - - - - - - - 1 摘要 21世纪，电子技术迅猛发展，高薪技术日新月异。传统的设计方法正逐步退出史的舞台，取而代之的是基于EDA技术的芯片设计技术，它正在成为电子系统设计的主流。大规模可编程器件现场可编程门阵列SOPC 和复杂可编程逻辑器件CPLD是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路。近年来 ,EDA 技术高速发展使现代电子产品向着功能多样化，体积最小化, 功耗最低化的方

7、向发展。它与传统电子产品在设计上的显著优势就是: 第一大量使用大规模可编程逻辑 器件， 以提高产 品性能 ， 缩小产品体积 ，降低功 耗 。 第 二是 广 泛 运 用现 代 化 计算机技术, 以提高电子设计自动化程度, 缩短开发周期 , 提高产品的竞争力。所以掌握这方面的应用极其重要，本题目就是基于SOPC这一技术完成实现的。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的应用。具有很高的商业价值和研究价值。而对于越来越变化多端要求极高的灯饰行业，相对传统的单片机来说， SOPC 的性价比越来越高，功能强大能轻松的完成对彩灯的控制。本题目基于 SOPC 技术设计彩灯控制器。 初步

8、实现 SOPC 技术在灯饰行业的简单应用，为深入提供了一些有价值的参考资料。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 18 页 - - - - - - - - - 2 第一章绪论 1.1 SOPC概述 System-on-a-Programmable-Chip，即可 编程片上系统 。 用可编程逻辑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 ）是一种特殊的 嵌入式系统 ：首先它是片上系统（SOC ） ，即由单个 芯片 完成整个系统的主要

9、逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。1.1.1 功能简介 SOPC设计技术涵盖了 嵌入式系统设计 技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统 （RTOS ）为中心的 软件设计 技术、以 PCB和信号完整性分析为基础的高速 电路设计技术以外， SOPC还涉及以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于 SOPC 的主要 逻辑设计 是在可编程逻辑器件 内部进行，而 BGA 封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试 设备，如：逻辑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的软硬件协同设计技术提出

10、更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Scope ILA 就是一种价廉物美的片内实时调试工具。1.1.2 SOPC 对的发展过程一直以来 , 在开发一个典型的系统时, 设计人员仍不得不采用各种昂贵的,分立的模拟器件配合可编程逻辑器件或者混合信号的ASIC 作为解决方案 . 而SOPC是具有所有这些属性的现成部件, 利用它可以方便的选择器件来构成一个系统 , 而且可以根据系统的需要对处理器的资源进行裁剪. 此外 , 由于各个器件之间通过总线的链接是自动生成的, 这就大大缩减了系统的开发周期, 也因此 ,针对于特定器件IP 核的设计以及 IP

11、核的重用成为 SOPC 技术的发展的关键 . 与传统方法相比 ,SOPC的设计方法必须有根本的改变, 即从以功能设计为基础的传名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 18 页 - - - - - - - - - 3 统流程 , 转变到以功能组装为基础的全新流程. 1.1.3 SOPC 的优势SOPC技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统, 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 , 存储电路以及普通数字系

12、统等, 在单一可编程片上系统中实现, 使得所设计的系统在规模,可靠性 , 体积, 功耗 , 功能 , 性能指标 , 上市周期 , 开发成本 , 产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化 , 而这也是 SOPC 技术发展的根本方向 . 目前 SOPC 的发展趋势主要体现在以下四个方面: 一是向更高密度 , 更大容量的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发展; 三是 IP 资源复用理念将得到普遍认同并成为主要的设计方式; 四是嵌入式处理器IP 将成为SOPC 的核心 . 1.2 NIOS II工具基本模块介绍能够满足任何应用32 位嵌入式微处理器的需要

13、，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 系列上的第一代 Nios 处理器。另外，Altera提供了一键式移植选项， 可以升级至 Nios 系列。 Nios 处理器也能够在HardCopy器件中实现， Altera还为基于 Nios 处理器的系统提供ASIC的移植方式。 Nios 处理器具有完善的软件开发套件，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 开发软件中的SOPC Builder 系统开发工具很容易地创建专用的处理器系

14、统，并能够根据系统的需求添加Nios 处理器核的数量。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的专用C/C+ 运行环境。 Nios 集成开发环境（ IDE）提供了许多软件模板，简化了项目设置。此外，Nios 开发套件包括两个第三方实时操作系统（ RTOS ） MicroC/OS-（Micrium ） ，Nucleus Plus(ATI/Mentor）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 18 页 - - - - -

15、 - - - - 4 以及供网络应用使用的TCP/IP 协议栈。长期以来， Altera一直推行嵌入式处理器战略的原因是，随着应用的ASIC开发日益受到成本的困扰，OEM 日渐转向 FPGA 来构建自己的系统。这些系统中绝大多数需要一个处理器，而Altera正是为设计者提供了为FPGA 优化的灵活的嵌入式处理器方案，可以满足16 位和 32位嵌入式处理器市场的需求。第二章彩灯控制器的设计2.1 设计要求2.1.1 设计任务基于 SOPC 的彩灯控制器设计。2.1.2 设计内容采用 SOPC 技术设计一个彩灯控制器；功能要求（1）配置 NIOS II 软核系统；（2） 在基于 Eclipse 的

16、 Nios集成开发环境 (IDE ）上开发彩灯控器。（3）至少实现 8 个 LED ，3 种以上的花色。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 处理器选择配置合理；（3）仿真 、调试、验证电路模块；2.2 设计思路2.2.1 设计流程图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 18 页 - - - - - - - - - 5 图 1-1 彩灯控制器的设计流程图2.2.2 设计原理彩灯控制器的设计核心主要是分频器的使用，显示部分

17、的设计较简易。分频的方法有很多种，本次设计采用了其中较简易的一种，通过计数器的分频，将控制器外接的频率分为几个我们预先设定的值。当计数器达到预先设定的值，即产生一个上升沿，从而实现分频。扬声器通过不同的频率控制发出不同的声音。同样发光二极管和数码管的显示速度也由其中分出来的一种频率控制（控制显示频率在14之间为宜）。通过使能端的控制可以控制不同的数码管显示预先设定的图案，数码管依次显示的图案为 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从二边向中间再由中间向二边发散显示。与此同时，显示不同的花型时扬声器发出不同的声音，代表不同的花型。本

18、次设计还带有复位功能，通过复位可以使彩灯控制器恢复到最初的状态。第三章程序设定与分析3.1 时序控制部分定义 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 。如果 a 没有变彩灯控制器时序控制部分（分频器）数码管动态显示发光二极管动态显示扬 声 器 发生控制复 位名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 18 页 - - - - - - - -

19、 - 6 化到 110010 则 a 继续自加，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，产生一个新的时钟脉冲信号 clk3 。对 clk2 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的循环显示，以达到显示速度的要求。3.2 发光二极管、数码管显示及扬声器控制程序3.2.1 花型 A显示程序当敏感信号

20、 s 发生变化， 对数码管进行置位和置型， 0001000也就是对相应的数码管使之显示花型为A，通过对数码管使能端的置位， 控制显示的数码管显示为 AA ，并且发光二极管最右边显示为亮。当S每变化一次，数码管向左移动一格，发光二极管也同步向左移动，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显示程序当敏感信号 s 发生变化至 01000时，对数码管进行置位和置型， 0000011也就是对相应的数码管使之显示花型为B，通过对数码管使能端的置位， 控制显示的数码管显示为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

21、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。当敏感信号 s 发生变化至 10000时，对数码管进行置位和置型， 1000110也就是对相应的数码管使之显示花型为C ，通过对数码管使能端的置位， 控制显示的数码管显示为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的变化过程。当 s 变化到 10111 之后执行名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

22、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 18 页 - - - - - - - - - 7 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的仿真，为了方便观察显示结果，这里调节仿真时间为 3us , 脉冲频率 clk 的周期为 5ns，复位信号暂且不进行仿真. 。执行 Quartus 软件中的 processing- 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 的 仿 真 结 果。图 4-1 花型 A波形仿真图由图 4-1 可知

23、，当 clk 发生变化，来上升沿时，led7s1 为 0001000即数码管首先显示为花型A 二极管按规定的显示，首先led7s2 位 01111111即最右边的二极管亮灯， led_selout为 11000000即最右边的 2 个数码管显示 2 个 A的花名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 18 页 - - - - - - - - - 8 型。当 clk变化到规定次数时二极管的显示开始按左移动，数码显示管也向左移动。 Led7s2 依次变化 011111

24、1111111110 ， 实现二极管的向左移动； led_selout也依次变化 1100000000000011实现数码显示管的向左移动。同时当clk信号变化 50 次时产生一个上升沿clk1 ，控制扬声器发出声音。4.2 花型 B波形仿真图 4-2 花型 BB的波形仿真图由图 4-2 可知，当 clk 发生变化，来上升沿时，led7s1 为 0000011即数码管首先显示为花型B 二极管按规定的显示，首先led7s2 位 11111110即最右边的二极管亮灯， led_selout为 00000011即最右边的 2 个数码管显示 2 个 B的花名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

25、- - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 18 页 - - - - - - - - - 9 型。当 clk变化到规定次数时二极管的显示开始向右移动，数码显示管也向右移动。 Led7s2 依次变化 1111111001111111 ， 实现二极管的向右移动； led_selout也依次变化 0000001111000000实现数码显示管的向右移动。同时当clk信号变化 25 次时产生一个上升沿clk2 ，控制扬声器发出声音。4.3 花型 B波形仿真图 4-3 花型 C的波形仿真图由图 4-3 可知当 clk 发

26、生变化，来上升沿时， led7s1 为 1000110 即数码管首先显示为花型C二极管按规定的显示，首先led7s2 位 01111110 即最右边和最右边的二极管亮灯， led_selout为 10000001即最右边和最左边的2 个数码管显示 2 个 C的花型。当 clk 变化到规定次数时二极管的显示开始向中间移动，数码显示管中的花型也向中间移动，然后再由中间向俩边移动。Led7s2 依次变名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 18 页 - - - - -

27、 - - - - 10 化 011111101110011101111110 ，实现二极管的向中间移动再向俩边移动；led_selout也依次变化 100000010001100010000001 实现数码显示管的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 ，控制扬声器发出声音。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 18 页 - - - - - - - - - 11 心得体会本次设计的是彩灯控制器的设计，当决定选这个课题的时候经

28、过分析就知道关键是计数器和分频器的使用，分频的方法有很多种，对于同一种功能的实现，用 VHDL 可以采用多种方式进行描述，每种方式之间各有优劣，本次设计只采用了其中较简单的一种，应尽量用最简洁的语言写出所需功能的程序。通过这次课程设计对技术有了更进一步的熟悉，VHDL 语言和语言等其他语言还是有很大的区别。VHDL是 EDA技术的重要组成部分，其具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。其主要的也是最大的优点就在于设计者可以专心致力于其功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有

29、关的因素花费过多的时间和精力。在实际操作中发现设计和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个简单的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的书本知识以及通过借阅书籍和上网查找资料，也丰富了自己对EDA的了解。不过本次设计也存在一些不足，暴露了自己对EDA 的掌握还有所欠缺。在设计过程中，分频分的太大，频率太小的话，扬声器的声音体现不出显示不同花型时的区别；频率太大的话，数码管显示速度太快，尝试分频时使用不同的脉冲信号，但没有成功。在反复调试中，最后还是成功了，但原理还不是很清楚。同时，在课程设计过程中通过与同学的交流及上网查找相关资料，也了解了他们对于这门技术的看

30、法和今后这门技术的发展方向。总的来说，这次设计还是有所收获的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 18 页 - - - - - - - - - 12 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 技术实用教程清华大学出版社4、 挑战 SOC - - 基于 NIOSII 的 SOPC 设计与实践 清华大学出版社5、 NiosII嵌入式软核 SOPC 设计原理及应用北京航空航天大学出版社6

31、、 FPGA 与 SOPC 设计教程 -DE2 实践 西安电子科技大学出版社名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 18 页 - - - - - - - - - 13 电气与信息工程系课程设计评分表项目评价优良中及格差设计方案的合理性与创造性(10%) 硬件设计或软件编程完成情况(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%) 答辩汇报的条理性和独特见解(10%) 答辩中对所提问题的回答情况(10%) 完成任务情况 (10%) 独立工作能力 (10%) 出勤情况（ 10% ）综 合 评 分指导教师签名： _ 日期：_ 注：表中标 *号项目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的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 18 页 - - - - - - - - -