基于FPGA的通用外设电路设计_毕业设计论文(37页).doc
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1、-基于FPGA的通用外设电路设计_毕业设计论文-第 32 页毕业设计（论文）题 目：基于FPGA的通用外设电路设计英文题目：Design of Universal Peripheral Circuit Based on FPGA摘 要FPGA器件作为可编程逻辑主流硬件，近年来，应用越来越广泛，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。其外设电路作为芯片与外界输入方式之一，是十分具有研究价值的。FPGA器件不断增加新的模块，功能越来越强大，基于FPGA的外设电路也顺应形势，不断升级。本设计综合行列式键盘、LED显示器、时钟一体，应用Verilog HDL语言实现下述功能：计时功能，包括时分秒的计
2、时；校时功能：对时分秒手动调整以校准时间；键盘功能：应用4*4行列式键盘，可实现0-9数字的直接输入；LED动态扫描显示和闪烁，移位，灭零等功能，突出了其作为硬件描述语言的良好的可读性、可移植性和易理解等优点，并通过Altera Quartus8.0完成综合、仿真。本设计实现以上FPGA各功能，可作为EDA技术发展的价值体现。此程序通过下载到FPGA芯片后,可应用于实际的数字钟显示中。关键字：行列式键盘、LED显示器、时钟、Verilog HDL。ABSTRACTFPGA programmable logic devices, as the mainstream of hardware, in
3、 recent years, more and more extensive applications in modern science and technology plays a vital role and status. Its peripheral circuit chip with the outside world as one of input is very valuable in research. FPGA devices are constantly adding new modules, more powerful, FPGA-based response to t
4、he peripheral circuit is also the situation escalated.The determinant of the design of an integrated keyboard, LED display, integrated clock, application Verilog HDL language to achieve the following functions: time functions, including the time when minutes and seconds; school functions: every minu
5、te of time to manually adjust the calibration time; keyboard functions: application of 4 * 4 determinant keyboard, numbers 0-9 can be directly imported; LED dynamic scanning display and blinking, shift, such as anti-zero function, highlights the hardware description language as a good readability, e
6、asy to understand the advantages of portability, and Altera Quartus 8.0 through the completion of synthesis, simulation. FPGA Design and Implementation of the above various functions, can be used as the value of EDA technology embodied. This process by downloading to the FPGA chip can be used in pra
7、ctical digital clock display.Keywords: determinant keyboard, LED display, clock, Verilog HDL.目 录引 言1第一章 系统硬件及设计软件介绍21.1 开发板介绍21.2 设计软件介绍3第二章 系统方案设计42.1 总设计方案42.2 分频器设计方案42.3 行列式键盘设计方案52.4 六位7段LED显示设计方案62.5 顶层模块设计方案7第三章 系统程序设计83.1 分频器程序设计83.2 行列式键盘程序设计103.3 六位7段LED显示程序设计123.4 顶层模块程序设计13第四章 程序仿真204.1
8、分频器程序仿真204.2 行列式键盘程序仿真204.3 六位7段LED显示程序仿真214.4 顶层模块程序仿真22结 论25致 谢27参考文献28附录1 分频器程序29附录2 行列式键盘程序31附录3 六位7段LED显示程序33附录4 顶层时钟程序35引 言计算机技术和微电子工艺的发展，使得现代数字系统的设计和应用进入了新的阶段。电子设计自动化（EDA）技术在数字系统设计中起的作用越来越重要，新的工具和新的设计方案不断推出，可编程逻辑器件不断增加新的模块，功能越来越强，硬件设计语言也顺应形式，推出新的标准，更加好用，更加便捷。本设计主要以FPGA器件、EDA软件工具、Verilog HDL硬件
9、描述语言三方面内容作为主线，综合行列式键盘，LED显示器件，以及时钟模块于一体，实现三个主要模块的联动，输入部分为4*4行列式键盘，具备0-9十个数字键、修改/确认键、左右移动键，输出数据为6位二进制代码，输出部分为六位7段LED数码管，可实现时分秒显示，时钟灭零显示，修改闪烁以及小数点秒闪烁功能。而顶层文件时钟模块则将输入输出部分联结起来，实现时钟发生，显示缓存，数据修改，移位，灭零等功能。另时钟产生模块采用FPGA硬件内置66MHz分频，产生250Hz，5Hz，1Hz信号供时钟模块，输入输出模块使用。本设计完全采用Verilog HDL语言完成，此程序通过下载到FPGA芯片后,可应用于实际
10、的数字钟显示中。第一章 系统硬件及设计软件介绍1.1 开发板介绍本设计需要的硬件资源主要有：1、六位七段数码管2、4*4行列式键盘经过仔细筛选，最终选定联华众科FPGA开发板FA130。联华众科FPGA开发板FA130核心器件为 Altera Cyclone系列的EP1C3，配置芯片为EPCS1，FA130上可以运行SOPC Builder制作的简单的工程。FA130具有丰富的板载资源，由于板载有51单片机，FA130还可以作为51单片机的学习开发板。FA130实现了3.3V系统与5V系统对接功能，具体是通过74LVXC3245（或简称3245）实现的。FA130随板资料中包括丰富的开发实例和
11、制作开发实例的详细步骤说明，以及Quartus II环境下的设计输入，综合，仿真等内容，另外还包括SOPC建立和开发方面内容，如Nios II的建立和Nios II环境下C/C+程序开发等。FA130的EDA开发实例包括VHDL和Verilog两个版本，FA130的51单片机开发实例包括汇编和C语言两个版本。同时FA130还包括详细的使用手册和丰富的配套资料，非常适合FPGA，VHDL，Verilog开发学习者使用。另外FA130随板DVDROM中还包括VS.NET的开发实例，在学习FPGA开发、51单片机开发的同时还可以学习到VS.NET开发环境中C#程序的开发，VS.NET和C#也是WIN
12、CE.NET系统上主要的开发环境和编程语言。图1-1 FA130开发板联华众科FPGA开发板FA130具有丰富的板载资源。核心器件包括FPGA芯片Altera EP1C3T100和PLCC封装的单片机STC89LE52。EP1C3可用I/O分4组全部以插针的形式引出，供外部扩展时使用。FPGA配置芯片为EPCS1，EPCS1为FLASH类型存储器，存储空间为1M位（1,046,496bits），EPCS1可以工作在5V或3.3V，在本开发板EPCS1与FPGA的IO相同工作电压为3.3V。时钟资源包括频率为66M有源晶振和1个外接有源晶振插座，外接有源晶振插座可直接安装用户自己希望的任何频率有
13、源晶振。复位电路由一个复位按键和一片复位芯片组成，复位芯片为IMP812T，IMP812T输出高电平有效的复位脉冲，脉冲宽度为140ms。IMP812T的复位门限（Reset Threshold）为3.08V，输出的复位信号同时提供给FPGA芯片和单片机使用，FA130上EP1C3和51单片机89LE52均工作在3.3V电源电压。显示资源包括6位共阴七段数码管，8位LED（绿色），1片1602LCD显示屏。键盘资源包括4*4按键阵列，4个独立按键，其中4个独立按键可以作为单片机的中断源使用。电源部分包括1片LM1085-5.0，1片AS2830-3.3和1片AS2830-1.5，LM1085-
14、5.0提供5V直流电源作为AS2830-3.3，AS2830-1.5输入电源和LCD1602供电电源。AS2830-3.3提供3.3V直流电源，作为FPGA的IO电源和开发板上其他设备电源。AS2830-1.5提供1.5V直流电源，作为FPGA的核心供电电源。存储资源包括1片24C02和1片93C46，24C02连接在I2C总线上，是存储空间为256字节串行E2PROM，24C02的设备地址也可以由板上的3位拨码开关设置。93C46为SPI接口的串行E2PROM，93C46存储空间为128字节。其他资源还包括8位拨码开关，连接到EP1C3上。1.2 设计软件介绍本设计使用Altera公司的Qu
15、artus II软件，版本为8.0。Altera Quartus II设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件统一设计流程的设计工具。工程师使用同样的低价位工具对 Stratix FPGA进行功能验证和原型设计，又可以设计HardCopy Stratix器件用于批量成品。系统设计者现在能够用Quartus II软件评估HardCopy Stratix器件的性能和功耗，相应地进行最大吞吐量设计。Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。Quartus平台与Cade
16、nce、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添 了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。第二章 系统方案设计设计要求：1、行列式键盘电路包括：时钟产生电路，扫描电路、按键标志产生电路和键盘译码器；2、LED显示电路设计包括：时钟发生器、扫描信号发生器、显示缓存器、七段译码器、小数点产生模块和闪烁模块；3、键盘与LED显示电路配合，完成数据修改，移位，灭零和小数点移动等功能。2.1 总设计方案根据课题要求，本设计主要由三个模块完成，
17、1） 输入：行列式键盘，具备0-9十个数字键及数据修改/确认，左移位键，右移位键三个功能键。2） 输出：六位7段数码管。3） 主程序：实现时钟产生，键位识别，数据修改，移位等功能。4） 应以上三个模块要求，设计分频模块，产生符合要求的方波。如图2-1所示：图2-1 系统设计方案图2.2 分频器设计方案本设计采用FPGA硬件设计，其内置时钟频率为66MHz，而三个模块需要的是频率较低的信号，应通过寄存器计数来实现分频，考虑到高低频率差异太大，所以拆分成为两个寄存器来实现，这样可以得到250Hz信号，然后再使用两个寄存器可分别得到5Hz，1Hz两个信号。如图2-2所示。图2-2 分频示意图2.3
18、行列式键盘设计方案行列式键盘的工作方式是读取行列线的状态，查看是否有按键按下。键盘部分提供一种扫描的工作方式，能对键盘不断扫描、自动消抖、自动识别按下的键，并给出编码，能对双键或n个键同时按下的情况实行保护。本设计需要实现数据修改，移位，所以除了0-9数字键盘以外，还至少需要左右移位键及修改/确认三个功能键，如图2-3所示。图2-3 键盘示意图键盘需要响应迅速，所以采用了250Hz信号，输入由X1，X2，X3，X4；Y1,Y2,Y3,Y4八根纵横交错的连接线组成，当某根X连接线和Y连接线同时为低电平时有效，例如当X3，Y2为低电平时，识别为“0”键，将输出相应信号供主程序识别。如图2-4所示。
19、图2-4 键盘电路原理2.4 六位7段LED显示设计方案在译码器设计时，常用发光二极管的状态验证设计是否满足要求。这种方式是很直观的，但在计数器设计时，这样的验证方式就显得很不直观，尤其当计数器的位数增加时（如百进制计数），太多的发光管将使结果的独处非常困难。此时应采用数码管显示，但是当用七段数码显示器显示的位数较多时（如显示8位）BCD码十进制数），为了节省硬件开支，常用动态显示方法，即对各LED数码管循环扫描。分时使用显示器驱动电路。1） 驱动方式：直接驱动方式，直接对数码管相应的字段给出驱动电平，以显示字形，其真值表如表2-1所示：表2-1 LED真值表abcdefg输出11111100
20、0110000111011012111100130110011410110115101111161110000711111118111101192）动态扫描显示动态扫描的FPGA实现可以采用将所有数码管的相同字段并联，由FPGA芯片的输出信号a,b,c,d,e,f,g直接驱动相应字段，由软件编程产生片选信号MS1，MS2，,MS6循环选中6个数码管。数码管显示的字形由表2-2决定。3）相关知识共阴数码管如右图2-5所示：每一条线分别对应一个管脚，当管脚为1时，这条线为亮，当管脚设置为0时，这条线不亮。例如：设置a的管脚为1，那么0这条线就会亮；设置g的管脚为1，那么6这条线就会亮。要让数码管显
21、示数字0，那么我们可以设置a,b,c,d,e,f,g为“1111110”。图2-5 数码管示意图2.5 顶层模块设计方案此模块为系统核心模块，大部分的功能都由此模块完成。1） 时钟模块设计思路：定义一个长度为24位的时钟显示缓存寄存器，每4位用BCD码来分别显示时分秒的个位，十位，每当1秒周期则秒个位加一，当秒个位为9时则清零，秒十位加一，当秒为59时清零，分加一，同理当分为59，秒为59时，分、秒清零，时加一，同理当时为23，分为59，秒为59时，时分秒清零。完成时钟的设计。2）键盘译码模块设计思路：定义1位寄存器sel，每当检测到sel信号则自加1，当sel为1时进入修改状态，为0则为时钟
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