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复杂数字系统课程设计指导书
《硬件描述语言》实验指导书V1.0
南通大学电子信息学院
2013年1月
一、课程设计目的、要求
9.12.15.18.
1.通过本次课程设计,增强工程实践能力和创新能力,提高数字系统设计水平。
2.完成课程设计,包括设计仿真与验证。
首先,根据所选课题和AlteraDE2开发板资源进行方案设计。
然后运用EDA软件对方案进行程序设计、仿真分析。
3.撰写总结报告。
报告内容包括以下内容:
1)概述
2)功能
给出系统的设计功能以及性能参数。
3)设计方案
说明本设计的技术方案、工作原理,给出设计框图、软件流程图、状态转换图等。
4)设计与仿真
给出每个模块以及顶层模块的设计框图、状态转换图、软件流程图或VerilogHDL源程序等,并作一定的说明。
给出仿真结果,并对系统功能、性能、资源消耗情况作出分析。
5)硬件验证
将设计文件下载到DE2开发板进行硬件验证,完成检测和调试,对结果进行说明或分析。
6)结束语
7)参考文献
8)附录
将各种篇幅较大的图纸、数据表格、源程序等材料附于技术报告后。
二、课程设计日程安排
日期
内容
2013.1.14
1.布置任务,课题论述
2.设计实例演示
3.学生选题
2013.1.15
确定设计方案
2013.1.16~2013.1.17
1.完成设计与仿真
2.硬件验证、调试
3.检查、验收
2013.1.18
完成设计报告
三、设计课题
1、简易函数发生器1
基本要求:
运用DE2上的DAC实现方波、正弦波信号发生器功能。
方波频率、占空比可设置。
正弦波信号幅度可调。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
2、简易函数发生器2
基本要求:
运用DE2上的DAC实现方波、三角波信号发生器功能。
方波频率、占空比可设置。
三角波信号频率、幅度可调。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
3、简易函数发生器3
基本要求:
运用DE2上的DAC实现方波、锯齿波信号发生器功能。
方波频率、占空比可设置。
锯齿波信号频率、幅度可调。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
4、简易函数发生器4
基本要求:
运用DE2上的DAC实现方波、梯形信号发生器功能。
方波频率、占空比可设置。
梯形波信号频率、幅度可调。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
5、简易函数发生器5
基本要求:
运用DE2上的DAC实现方波、阶梯信号发生器功能。
方波频率、占空比可设置。
阶梯波信号频率、幅度可调。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
6、串行通信发送接口
功能:
通过DE2的拨码开关来选择要发送的数据,当DE2上的某一个独立按键被按下的时候,数据会通过RS232串口发送到PC。
基本要求:
掌握串口通信协议,完成串口数据的发送功能
硬件验证要求:
在PC机通过“串行通信接口调试助手”软件接收由DE2发送过来的数据。
在完成基本要求的基础上,可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。
7、串行通信接收接口(LED)
基本要求:
掌握RS232串口的协议,运用DE2的串口进行接收PC的数据。
波特率为9600,8位数据位,无奇偶校验,一个停止位。
硬件验证要求:
在PC机通过“串行通信调试助手”软件
发送数据,DE2通过串口接收数据,完成接收数据后在LED上面进行显示。
在完成基本要求的基础上,可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。
8、串行通信接收接口(数码管)
基本要求:
掌握RS232串口的协议,运用DE2的串口进行接收PC的数据。
波特率为9600,8位数据位,无奇偶校验,一个停止位。
硬件验证要求:
在PC机通过“串行通信调试助手”软件
发送数据,DE2通过串口接收数据,完成接收数据后在数码管上面进行显示。
在完成基本要求的基础上,可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。
9、数字时钟设计
基本要求:
能够正确显示时、分、秒,并有校时、半点报时和整点报时功能。
要求能在数码管上面正确显示。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如增加闹铃功能。
10、秒表设计
基本要求:
最大为1小时,精度要求为0.01秒,具有开始、暂停和清零功能,要求能在数码管上面正确显示。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
11、定时器设计
基本要求:
最大为1小时,精度要求为0.01秒,当倒计时间为0的时候能够报警,要求能在数码管上面正确显示。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
12、交通灯设计
基本要求:
1)设计一个交通红绿灯。
要求分主干道和支干道,每条道上安装红(主:
R,支:
r)绿(主:
G,支:
g)黄(主:
Y,支:
y)三种颜色灯,由四种状态自动循环构成;
2)在交通灯处在不同的状态时,设计一个计时器以倒计时方式显示计时,主干道上绿灯亮30S,支干道上绿灯亮20S。
每个干道上,在绿灯转为红灯时,要求黄灯先亮5S。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如绿灯亮的时间可调。
13、密码锁设计
基本要求:
设计一个电子密码锁。
操作方式:
在锁开的状态下输入密码,设置的密码共4位,用拨码开关SW1~SW10分别代表数字1,2,…,9,0,输入的密码用数码管显示,最后输入的密码显示在最右边的数码管上,即每输入一位数,密码在数码管上的显示左移一位。
可删除输入的数字,删除的是最后输入的数字,每删除一位,密码在数码管上的显示右移一位,并在左边空出的位上灭掉。
用一位输出电平的状态代表锁的开闭状态。
也可自行规定操作方式。
为保证密码锁主人能打开密码锁,设置一个万能密码,在主人忘记密码时使用。
14、数字温度传感器的控制设计
基本要求:
掌握SHT-11传感器的工作原理,实现FPGA对SHT-11芯片的控制,要求能够将读进来的温度数值在数码管上面显示。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如增加湿度控制和显示功能。
15、频率计设计
主要内容:
设计一个数字显示的频率计
主要任务:
1)频率计采用三位数码管显示。
2)频率测量围为1Hz范~999Hz,并有溢出指示。
3)频率计设有1~999Hz和1~10kHz两个量程,并用LED指示。
4)频率计能够根据测试信号的频率进行量程自动切换。
当频率小于1kHz时,系统选择1s的闸门时间,当频率大于等于1kHz时,在下一次测量时,选择0.1s的闸门时间。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
16、BCD码计数器的设计
基本要求:
设计一个4位BCD码,具有置数和复位功能,并可以根据外部的拨码开关来选择加1计数还是减1计数,要求能在数码管上面正确显示。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
17、超声波测距设计
基本要求:
给定超声波发射接收模块,通过DE2产生频率为40KHZ的超声波脉冲信号(脉宽为250-500us)送至超声波发射模块。
将超声波接收模块数出的回波脉冲信号送至DE2,经处理后在3位数码管上面显示距离(单位为cm)。
18、数码管亮度控制器的设计
基本要求:
设计一个数码管亮度控制器,能够根据外部的拨码开关来控制数码管的亮暗程度。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如可以在LCD上面显示亮暗的程度。
19、跑马灯控制器的设计
基本要求:
设计一个跑马灯控制器,能够根据外部的拨码开关来控制速度。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能。
20、直流电机调速控制器的设计
基本要求:
设计一个直流电机调速控制器,能够根据外部的拨码开关来控制直流电机的速度。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如可以将速度显示在数码管上面。
21、进制转换电路设计
基本要求:
对输入的4位二进制数据,能够根据外部的拨码开关来选择10进制转换、8进制转换还是16进制转换。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如增加输入的位数。
22、可控分频器的设计
基本要求:
对DE2上的时钟信号进行多种分频,分频系数由外部按键来选择,分频后的结果要在数码管上面正确显示。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如增加移相功能。
23、8位的ALU设计
基本要求:
设计一个挂在总线上的8位ALU,具有加、减、与、或等功能,要求对运算后的数据能在数码管上面正确显示。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如增加乘法功能。
24、序列检测器设计
基本要求:
设计一个序列检测器,当输入完数据01011010的时候,DE2开发板的LED灯将会点亮,其他的情况都是灭掉。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如尝试改变序列检测器的设计方法。
25、抢答器
基本要求:
设计一个四组抢答器,使用DE2上的拨码开关,开始抢答后,先抢答到的组通过数码管显示组名,如果提前抢答具有报警的功能。
在完成基本要求的基础上,可进一步增加功能、提高性能,如对抢答器实现加减分的功能。
26、微型打印机接口设计1
基本要求:
微型打印机拥有一个RS232输入接口。
通过DE2驱动打印机,使其能够通过拨码开关输入ASCII码,使打印机打印相应的字符。
27、微型打印机接口设计2
基本要求:
微型打印机拥有一个RS232输入接口。
通过DE2驱动打印机,使其能够输出一行预先设置的中文字符。
28、微型打印机接口设计3
基本要求:
微型打印机拥有一个RS232输入接口。
通过DE2驱动打印机,使其能够输出一行预先设置的英文字符。
29、简易电子琴设计
基本要求:
设计一个有18个按键的电子琴。
四、设计示例
【实验例程1】
实验说明:
按照拨码开关点亮DE2上面的两个数码管,代码见附件。
1建立工程并完成硬件的描述设计
打开quartus7.2的工作环境,如下所示:
2.新建工程,点击File->NewprojectWizard新建一个工程文件。
接着弹出如下界面,接着点击NEXT
3.输入工程工作路径、工程文件名以及顶层实体名字。
4.点击NEXT之后弹出如下界面,这里是提示添加已经写好的程序。
5.选择所用到的器件。
6.设置EDA相应的工具,quartus一集成开发环境,为此我们可以跳过这一设置,如果使用第三方的综合工具和仿真工具,可以在此设置,当然还需要指明第三方工具的路径。
7.点击NEXT之后查看整个设置工程的总结。
点击FINISH完成新建工程。
8.新建.V文件
点击菜单选项File->New,选择VerilogHDLFile,点击OK,建立Verilog源代码文件。
9.输入源代码
moduleSW_SEG(SW,HEX1,HEX0);
input[7:
0]SW;
outputreg[6:
0]HEX1,HEX0;
parameterseg0=7'b1000000,
seg1=7'b1111001,
seg2=7'b0100100,
seg3=7'b0110000,
seg4=7'b0011001,
seg5=7'b0010010,
seg6=7'b0000010,
seg7=7'b1111000,
seg8=7'b0000000,
seg9=7'b0010000,
sega=7'b0001000,
segb=7'b0000011,
segc=7'b1000110,
segd=7'b0100001,
sege=7'b0000110,
segf=7'b0001110;
always@(*)
case(SW[3:
0])
4'h0:
HEX0[6:
0]=seg0;
4'h1:
HEX0[6:
0]=seg1;
4'h2:
HEX0[6:
0]=seg2;
4'h3:
HEX0[6:
0]=seg3;
4'h4:
HEX0[6:
0]=seg4;
4'h5:
HEX0[6:
0]=seg5;
4'h6:
HEX0[6:
0]=seg6;
4'h7:
HEX0[6:
0]=seg7;
4'h8:
HEX0[6:
0]=seg8;
4'h9:
HEX0[6:
0]=seg9;
4'ha:
HEX0[6:
0]=sega;
4'hb:
HEX0[6:
0]=segb;
4'hc:
HEX0[6:
0]=segc;
4'hd:
HEX0[6:
0]=segd;
4'he:
HEX0[6:
0]=sege;
4'hf:
HEX0[6:
0]=segf;
default:
HEX0[6:
0]=seg0;
endcase
always@(*)
case(SW[7:
4])
4'h0:
HEX1[6:
0]=seg0;
4'h1:
HEX1[6:
0]=seg1;
4'h2:
HEX1[6:
0]=seg2;
4'h3:
HEX1[6:
0]=seg3;
4'h4:
HEX1[6:
0]=seg4;
4'h5:
HEX1[6:
0]=seg5;
4'h6:
HEX1[6:
0]=seg6;
4'h7:
HEX1[6:
0]=seg7;
4'h8:
HEX1[6:
0]=seg8;
4'h9:
HEX1[6:
0]=seg9;
4'ha:
HEX1[6:
0]=sega;
4'hb:
HEX1[6:
0]=segb;
4'hc:
HEX1[6:
0]=segc;
4'hd:
HEX1[6:
0]=segd;
4'he:
HEX1[6:
0]=sege;
4'hf:
HEX1[6:
0]=segf;
default:
HEX1[6:
0]=seg0;
endcase
endmodule
10保存设计,文件的名字一定要与当前待保存的模块名字一致。
11.点击按钮
StartCompilation.
如果有错误需要修改后重新这一过程。
12.建立波形仿真文件
点击菜单选项File->New->OthersFile,选择VectorWaveformFile,点击OK,
13.波形仿真
在空波形文件中点击右键,或者直接双击。
点击NodeFinder
选择PINS:
ALL然后点击list
添加需要的节点
点击OK完成
选择16进制显示方式,点击OK完成
添加测试信号的驱动
SW置入数据
保存波形文件
点击波形仿真按钮
分析结果当输入的数据位00的时候两个数码管都是40,也就是显示的数据都是00。
14下载
仿真完成后,确认功能正确后,即可进行引脚分配,根据提供的用户手册,进行引脚分配。
输入对应的引脚
点击保存,然后重新编译。
如果编译没有错误,准备下载。
由Tools->Progammer
硬件设置:
Currentlyselectedhardware:
usb
设置Mode为“JTAG”,点击“Start”,开始下载
观察DE2开发板,进行验证
【实验例程2】
基本要求:
通过DE2开发板上面的RS232串口资源,完成DE2与PC的串口通信。
设定波特率为57600,无校验,数据位8位,停止位1位。
VerilogHDL源代码见附件,在PC上运行”串口调试助手”可由网上下载。
五、FPGA实验开发系统DE2
DE2板是以CycloneII2c35FPGA为特点的672针引脚的包装。
板上所有重要的部件都与板上的芯片相连,使用户能够控制板上的各种操作。
DE2板包括了很多的开关(兼有拨动开关和按键),发光二极管和七段数码管。
在更多进一步的试验中还用到了SRAM、SDRAM、FLASH以及16x2的字符液晶。
需要进行处理器和I/O接口实验时。
可以简单的使用AlteraNiosII处理器和像RS-232和PS/2标准接口。
进行设计音频和视频的实验时,也有标准MIC、line-in、line-out接口(24位音频解编码器),video-in(TVDecoder)和VGA(10bitDAC) ,这些特点能够被用来制作CD质量的音频应用程序和专业的视频图像。
为了能够设计更强大的项目,DE2还提供了USB2.0接口(包括主、从USB),10/100M自适应以太网,红外(IRDA)接口,以及SD卡接口。
最后,可以通过两排扩展I/O口与其他用户自定义的板子相连。
下载DE2开发板光盘资源:
输入网址如下:
ftp:
//222.192.58.234用户名和密码:
student
忽略此处..
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