EDA设计报告.pdf

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1、 目录 引 言.2 课题的背景、目的.2 一、题目分析.3 1、分析设计要求.3 2、总体方框图.3 3、数字钟的工作原理.3 二、选择方案.5 1、方案选择及设计规划.5 2、系统顶层图的设计.5 三、时、分、秒计数器电路.6 1、原理.6 2、时、分、秒电路部分代码.7 四、编写应用程序并仿真.10 1、秒计数器.10 2、分钟计数器.11 3、小时计数器.11 4、整点报时报警模块.11 五、硬件测试及说明.12 1、数字时钟系统采用模式 7 进行硬件测试.12 2、引脚锁定情况.12 3、硬件测试过程与结果分析.14 六、实验总结.15 七、参考文献目录.15 2 引 言 随着社会的发

2、展，科学技术也在不断的进步。特别是计算机产业，可以说是日新月异，数字钟作为计算机的一个组成也随之逐渐进入人们的生活，从先前的采用半导体技术实现的数字钟到现在广泛应用的采用高集成度芯片实现的数字钟。数字钟正在向着功能强，体积小，重量轻等方向不断发展，本设计主要介绍的是一个基于超高速硬件描述语言VHDL对数字钟中显示电路进行编程实现。近年来，集成电路和计算机应用得到了高速发展，现代电子设计技术已迈入一个崭新的阶段，具体表现在：（1）电子器件及其技术的发展将更多地趋向于为EDA服务；（2）硬件电路与软件设计过程已高度渗透；（3）电子设计技术将归结为更加标准、规范的EDA工具和硬件描述语言VHDL的运

3、用；（4）数字系统的芯片化实现手段已成主流。因此利用计算机和大规模复杂可编程逻辑器件进行现代电子系统设计已成为电子工程类技术人员必不可少的基本技能之一。课题的背景、目的 本次设计的目的就是在掌握EDA实验开发系统的初步使用基础上，了解EDA技术，加深对计算机体系结构的理解。通过学习的VHDL语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识，学习VHDL基本单元电路的综合设计应用。通过对实用数字钟的设计，巩固和综合运用计算机原理的基本理论和方法，理论联系实际，提高IC设计能力，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力。通过课程设计深入理解计算机的组成原理，达到课程设计的目标。3

4、一、题目分析 1、分析设计要求（数字时钟的功能）1）具有时、分、秒计数显示功能，以24 小时循环计时。2）具有调节小时、分钟及清零的功能。3）具有整点报时功能。4）时钟计数显示时有LED 灯的花样显示。2、总体方框图 3、数字钟的工作原理 数字钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为 24 小时，显示满刻度为 23 时 59 分 59 秒，另外应有校时功能和一些显示星期、报时、停电查看时间等附加功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”，“星期”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。干电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒、星期

5、”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信数字时钟 小时计数显示功能模块 分钟计数显示功能模块 秒钟计数显示功能模块 整点报时功能模块 4 号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用 60 进制计数器，每累计 60 秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用 60 进制计数器，每累计 60 分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用 24 进制计时器，可实现对一天 24 小时的累计。每累计 24 小时，发出一个“星

6、期脉冲”信号，该信号将被送到“星期计数器”，“星期计数器”采用 7 进制计时器，可实现对一周 7 天的累计。工作原理图如图所示。数字钟的工作原理图 5 二、选择方案 1、方案选择及设计规划 根据总体方框图及各部分分配的功能可知，本系统可以由四个子模块（即秒计数器、分钟计数器、小时计数器、整点报时）和一个顶层文件构成。采用自顶向下的设计方法，子模块利用 VHDL 语言设计，顶层文件用原理图的设计方法。2、系统顶层图的设计 clkresetdaout5.0hourinstclkclk1resetsethourenhourdaout6.0minuteinst1clkresetsetminenmind

7、aout6.0secondinst2clkdain6.0speaklamp2.0alertinst3pin_name7OUTPUTpin_name8OUTPUTpin_name9OUTPUTpin_name10OUTPUTpin_name11OUTPUTVCCsethourINPUTVCCsetminINPUTVCCclkINPUTVCCresetINPUT 系统顶层设计图如上所示，由图知：1）对外端口引脚名称:输入：clk，reset，setmin，sethour；输出：speaker，hour5.0，minute6.0，second6.0，lamp3.0。6 2）底层文件名称：秒计时器（s

8、econd）是由一个 60 进制的计数器构成的，具有清 0、置数和计数功能。其中 reset 为清 0 信号，当 reset 为 0 时，秒计时器清 0；clk 为系统时钟信号；setmin 是分钟的设置信号；enmin 为秒计时器的进位信号，作为下一级的输入信号；daout 是秒计数值。分计时器（minute）是由一个 60 进制的计数器构成的，具有清 0、置数和计数功能。其中 reset 为清 0 信号，当 reset 为 0 时，分计时器清 0；clk 为系统时钟信号；clk1 为设置时钟信号；sethour 时设置信号；enhour 为分计时器的进位信号，作为下一级的输入信号。时计时器

9、（hour）是由一个 24 进制的计数器构成的，具有清 0、置数和计数功能。其中 reset 为清 0 信号，当 reset 为 0 时，时计时器清 0；clk 为时计数时钟信号；daout 为时计数值。报时模块（alarm）的功能是整点时，报时持续 1 分钟，dain 为分计数值；speak为蜂鸣器报警；lamp 为花样显示灯。3）实验连线：reset、setmin、hour 连接拨动开关；计数时钟信号 clk 接 1HZ/4HZ时钟信号；speak 与扬声器驱动 speaker 相连；lamp 与三个发光二极管相连；hour5.0、minute6.0、second6.0分别与七段 LED

10、数码管相连。三、时、分、秒计数器电路 1、原理 时、分、秒计数器电路有相似的地方，用两个 74LS161 组成一个二十四进制计数器，显示 023 时。由分计数器送来的进位脉冲送入时个位计数器，计 10小时清零并向时十位计数器送进位脉冲，当十位输出为二，个位输出为四时将整个电路清零并向下一级的星期显示电路送进位脉冲。本电路也可理解为用两个74LS161 组成一个一百进制计数器显示 099，当计数到 24 是将整个电路清零。时、分、秒计数器都需要用译码电路和 LED 数码管进行译码和显示。时、分、秒 7 计数 器电路如图所示。时、分、秒计数器电路 2、时、分、秒电路部分代码 library iee

11、e;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity second is port(clk:in std_logic;reset:in std_logic;setmin:in std_logic;enmin:out std_logic;daout:out std_logic_vector(6 downto 0);8 end entity second;architecture art of second is signal count:std_logic_vector(6 downto 0);signal en

12、min_1,enmin_2:std_logic;begin daout=count;enmin_2=(setmin and clk);enmin=(enmin_1 or enmin_2);process(clk,reset,setmin)begin if(reset=0)then count=0000000;enmin_1=0;elsif(clkevent and clk=1)then if(count(3 downto 0)=1001)then if(count16#60#)then if(count=101101)then enmin_1=1;count=0000000;else coun

13、t=count+7;end if;else 9 count=0000000;end if;elsif(count16#60#)then count=count+1;enmin_1=0;else count=0000000;enmin_1=0;end if;end if;end process;end art;10 四、编写应用程序并仿真 1、秒计数器（文件名：second.vhd）1）VHDL 语言描述程序见附录 2）秒计数器的仿真波形图 3）波形分析 由仿真波形图知秒计数模块功能是利用 60进制计数器完成00到59的循环计数字钟 控制电路 显示电路 小时 分钟 秒钟 调分 24 进制计数 6

14、0 进制计数 60 进制计数 调时 整点报时 11 数功能，当秒计数至 59 时，再来一个时钟脉冲则产生进位输出，即 enmin=1；reset 作为复位信号低电平有效，即高电平时正常循环计数，低电平清零。2、分钟计数器（文件名：minute.vhd）1）VHDL 语言描述程序见附录 2）分钟计数器的仿真波形图 3）波形分析 由波形图可知该模块实现了分钟计数的功能，调时信号 sethour 高电平有效。计数循环从 00 到 59.3、小时计数器（文件名：hour.vhd）1）VHDL 语言描述程序见附录 2）小时计数器的仿真波形图 3）波形分析 小时计数模块利用 24 进制计数器，通过分钟的进

15、位信号的输入可实现从 00到 23 的循环计数。4、整点报时报警模块（文件名：alert.vhd）12 1）VHDL 语言描述程序见附录 2）整点报时模块仿真波形图 3）波形分析 由图知对于整点报时模块，当分钟计数至 59 时来一个时钟脉冲则产生一个进位信号，分钟计数到 00，此时产生报警信号持续一分钟。当有时钟脉冲时 lamp显示灯就闪烁轮续点亮。五、硬件测试及说明 1、数字时钟系统采用模式 7 进行硬件测试 2、引脚锁定情况 信号名 引脚号 按键及显示 clk PIN_93 内部时钟信号clock0 1HZ hour0 PIN_73 LED8 hour 1 PIN_74 13 hour 2

16、 PIN_75 hour 3 PIN_76 hour 4 PIN_77 LED7 hour 5 PIN_78 min0 PIN_51 LED5 min 1 PIN_52 min 2 PIN_67 min 3 PIN_68 min 4 PIN_69 LED4 min 5 PIN_70 min 6 PIN_71 second0 PIN_39 LED2 second 1 PIN_40 second 2 PIN_41 second 3 PIN_42 second 4 PIN_47 LED1 second 5 PIN_48 second 6 PIN_49 lamp0 PIN_103 D6 lamp1 P

17、IN_105 D7 lamp3 PIN_106 D8 sethour PIN_7 键 7 14 setmin PIN_4 键 4 speaker PIN_129 蜂鸣器 SPEAKER reset PIN_10 键 8 3、硬件测试过程与结果分析 1）硬件测试：实验硬件 GW48 实验系统 cyclone EP1C3T144C8 测试模式 NO.7 测试方式 clock 选用 clock0，短路帽选 4HZ；键 8 控制 reset,键 7 控制 sethour，键 4 控制 setminute，D8、D7、D6 显示花样灯 lamp；数码管 8、7 用作小时显示，高位是小时的十位，低位是小时

18、的个位；数码管 5、4 用作分钟显示，高位是分钟的十位，低位是分钟的个位；数码管 2、1 用作秒钟显示，高位是秒钟的十位，低位是秒钟的个位；测试过程（灯亮为高电平，灯灭为低电平）reset低电平清零复位，按键 8 使灯亮则时钟开始从00-00-00计时，秒钟计时到 59 时向分钟进 1，分钟计时到 59 时向小时进 1；键 7 用做调小时每来一个脉冲调一次调节范围00-23；键 4 用做调分钟每来一个脉冲调一次调节范围0059；lamp灯显的三个灯轮回亮；当时钟为 00 则蜂鸣器开始整点报时一分钟。2）结果分析：由测试过程及结果可知所设计的数字时钟系统完成了预定的实验设计要求。15 六、实验总

19、结 由上可知，该数字钟系统实现了计时、时间重置、整点报时的功能。在给数字钟重置时间后，数字钟便开始从所置的时间计时，计数到59 秒时，秒计时器回到 00 秒，并且给分钟加 1；当分钟计数到 59 分时，分计时器回到 00 分钟，小时显示加 1，与此同时报时装置输出高电平，并且持续 1 分钟。当小时计数到23 小时时，当分钟及秒钟都达到 59 时，下一脉冲来时时钟回到 00 小时。当分钟到达 59 分，分计时器回到 00 时。通过仿真和硬件测试，让我认识到调试和硬件测试手段的多样化，对于同一功能的电路可以采用多种模式进行硬件测试，但要选择一个最佳方案，从而进行信号引脚的锁定并与相应功能块的硬件电

20、路接口相连。课程设计中要求要有耐心和毅力，还要细心，稍有不慎，一个小小的错误就会导致结果的不正确，而对错误的检查要求我要有足够的耐心，通过这次设计和设计中遇到的问题，也积累了一定的经验，对以后从事集成电路设计工作会有一定的帮助。在应用 VHDL 的过程中让我真正领会到了其并行运行与其他软件（C 语言）顺序执行的差别及其在电路设计上的优越性。用 VHDL 硬件描述语言的形式来进行数字系统的设计方便灵活，利用 EDA 软件进行编译优化仿真极大地减少了电路设计时间和可能发生的错误,降低了开发成本，这种设计方法必将在未来的数字系统设计中发挥越来越重要的作用。七、参考文献目录 1.EDA 技术基础 主编 赵明富 李季军 北京大学出版社 2.可编程器件 EDA 技术与实践 主编 沈明山 李国洪 机械工业出版社 3.EDA 工程实践技术 主编 付家才,郭殿林 化学工业出版社