EDA課程設計VHDL版-脈沖按鍵電話顯示器.docx

EDA技術課程設計報告設計題目： 脈沖按鍵電話顯示器 專業(yè)班級： 指導教師： 學號姓名課程設計成績完成日期：2015年12月30日目錄1 緒論31.1 設計背景31.2 QUARTUS II簡介31.3 VHDL語言基礎42脈沖按鍵電話顯示器總體設計結(jié)構(gòu)42.1 系統(tǒng)設計要求和目的42.1.1 系統(tǒng)設計要求42.1.2系統(tǒng)設計目的52.2 設計思路52.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)73 .脈沖按鍵電話顯示器的實現(xiàn)93.1 脈沖按鍵電話顯示器的頂層原理圖93.2 系統(tǒng)各功能模塊的實現(xiàn)93.2.1特殊功能模塊93.2.2按鍵功能實現(xiàn)模塊103.2.3數(shù)碼管顯示模塊104鎖定管腳及硬件實現(xiàn)104.1 鎖定管腳圖104.2 硬件實現(xiàn)114.2.1 顯示結(jié)果的幾種情況114.2.2 硬件實現(xiàn)總結(jié)125設計體會與總結(jié)12參考文獻13附錄14各模塊程序140.1 按鍵功能實現(xiàn)程序140.2 特殊功能模塊程序170.3數(shù)碼管顯示程序181 緒論1.1 設計背景隨著我國社會經(jīng)濟的全面發(fā)展，各大中小城市的出租車營運事業(yè)發(fā)展迅速，出租車已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂羞x擇較為普通的交通工具。于是，出租車行業(yè)以低價高質(zhì)的服務給人們帶來了出行的享受。但是總存在著買賣糾紛困擾著行業(yè)的發(fā)展。而在出租車行業(yè)中解決這一矛盾的最好方法就是改良計價器。汽車計價器是乘客與司機雙方的交易準則，它是出租車行業(yè)發(fā)展的重要標志，是出租車中最重要的工具，它關系著交易雙方的利益。具有良好性能的計價器無論是對廣大出租車司機朋友還是乘客來說都是很必要的。因此，汽車計價器的研究也是具有一定意義的。出租車計費器是出租車營運收費的專用智能化儀表，是出租車市場規(guī)范化，標準化以及減少司機與乘客之間發(fā)生糾紛的重要設備。一種功能完備，簡單易用，計量準確的出租車計費器是加強出租車行業(yè)管理，提高服務質(zhì)量的必需品。本設計就是采用VHDL硬件描述語言作為設計手段，采用自己的設計思路，得到一種出租車計價系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過Quartus II 6.0軟件下進行仿真，證明所設計的電路系統(tǒng)完成了出租車計價的功能，各項指標符合設計要求，具有一定的實用性。1.2 QUARTUS II簡介QUARTUS II 是Altera公司的綜合性CPLD/FPGA開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL等多種設計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整CPLD設計流程。QUARTUS II 支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級設計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。Altera QUARTUS II 作為一種可編程邏輯的設計環(huán)境, 由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設計者的歡迎。1.3 VHDL語言基礎一般而言，一個相對完整的VHDL語言程序至少應三個基本組成部分：庫（Library）、程序包（Package）使用說明；實體（Entity）說明；實體對應的結(jié)構(gòu)體（Architecture）說明。其中，庫、程序包使用說明用于打開（調(diào)用）本設計實體將要用到的庫、程序包；實體說明用于描述該設計實體與外界的接口信號說明，是可視部分；結(jié)構(gòu)體說明用于描述該設計實體內(nèi)部工作的邏輯關系，是不可視部分。在一個實體中，允許含有一個或多個結(jié)構(gòu)體，而在每一個結(jié)構(gòu)體中又可以含有一個或多個進程以及其他的語句。根據(jù)需要，實體還可以有配置說明語句。配置說明語句主要用于以層次化的方式對特定的設計實體進行元件例化，或是為實體選定某個特定的結(jié)構(gòu)體。2脈沖按鍵電話顯示器總體設計結(jié)構(gòu)2.1 系統(tǒng)設計要求和目的2.1.1 系統(tǒng)設計要求設計一個具有7位顯示的電話按鍵顯示器，顯示器應能正確反映按鍵數(shù)字，顯示器顯示從低位向高位前移，逐位顯示按鍵數(shù)字，最低位為當前顯示位，七位數(shù)字輸入完畢后，電話接通，揚聲器發(fā)出“嘟-嘟”接通聲響，直到有接聽信號輸入，若一直沒有接聽，10秒鐘后，自動掛斷，顯示器清除顯示，揚聲器停止，直到有新號碼輸入。系統(tǒng)框圖如圖所示。 圖1 脈沖按鍵電話按鍵顯示器系統(tǒng)框圖2.1.2系統(tǒng)設計目的1.通過這次實驗設計使我們加深對EDA技術與數(shù)字系統(tǒng)設計相關理論和概念的理解，培養(yǎng)我們的理論聯(lián)系實際的能力，特別是實際動手能力。2.學習使用QUARTUS II軟件設計。3.根據(jù)原理圖學會用VHDL語言設計時序電路。4.學會繪制功能仿真波形圖。2.2 設計思路設計一個具有7位顯示的電話按鍵顯示器，顯示器能正確反映按鍵數(shù)字，顯示器顯示從低位向高位前移，逐位顯示按鍵數(shù)字，最低位為當前輸入位，七位數(shù)字輸入完畢后，電話接通，揚聲器發(fā)出“嘟-嘟”接通聲響，直到有接聽信號輸入，若一直沒有接聽，10S后，自動掛斷，顯示器清除顯示，揚聲器停止，直到有新號碼輸入。其系統(tǒng)框圖如圖1若示圖2電話按鍵顯示器系統(tǒng)框圖此設計分為號碼輸入顯示控制模塊、主控制模塊和掃描顯示模塊幾部分。在號碼輸入顯示控制模塊中，用數(shù)據(jù)開關K1K10分別代表數(shù)字1，2，9，0，用編碼器對數(shù)據(jù)開關K1K10的電平信號進行編碼，得四位二進制數(shù)Q。每輸入一位號碼，號碼在數(shù)碼管上的顯示左移一位，狀態(tài)表1所示。表1號碼輸入顯示控制模塊狀態(tài)表數(shù)據(jù)開關數(shù)碼管顯示KiD7D6D5D4D3D2D11000000001000000Q100000D1Q10000D2D1Q1000D3D2D1Q100D4D3D2D1Q10D5D4D3D2D1Q 1D6D5D4D3D2D1Q0X熄滅熄滅熄滅熄滅熄滅熄滅熄滅當七位號碼輸入完畢后，由主控制模塊啟動揚聲器，使揚聲器發(fā)出“嘟-嘟”聲響，同時啟動等待接聽10s計時電路。設置接聽信號answer，若定時時間到還沒有接聽信號輸入，則號碼輸入顯示控制電路的/C，信號有效，顯示器清除顯示，并且揚聲器停止，若在10s計時未到時有接聽信號輸入，同樣/C信號有效，揚聲器停止。設置掛斷信號resert，任何時刻只要有掛斷信號輸入，系統(tǒng)的/C有效，系統(tǒng)復位。 表2 主控制模塊狀態(tài)表接聽信號answer掛斷信號reset等待接聽10s計時/C揚聲器XX時間到0停止XX0停止XX0停止圖3 電話按鍵顯示器硬件系統(tǒng)示意圖按鍵功能實現(xiàn)模塊2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)特殊功能模塊數(shù)碼管顯示模塊圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖電話按鍵顯示器的組成如上圖所示，通過按鍵功能模塊實現(xiàn)號碼的輸入、撥號、清零操作，通過特殊功能模塊實現(xiàn)確認撥出鍵功能、揚聲器響應與定時功能和掛斷功能，數(shù)碼管顯示模塊實現(xiàn)從低位到高位的對應鍵號值的顯示輸出，其中數(shù)碼管的顯示受特殊功能模塊影響，掛斷信號直接決定數(shù)碼管是否全顯示2.4脈沖按鍵電話顯示器系統(tǒng)工作流程圖撥號先按下?lián)芴栨I，再進行號碼的輸入，如果按下的號碼出現(xiàn)錯誤，則可以按下清零鍵，重新輸入。輸入完成后，按下確認撥號鍵，信號輸出，揚聲器發(fā)出“嘟-嘟”接通聲響，直到有接聽信號輸入，若一直沒有接聽，10秒鐘后，自動掛斷，顯示器清除顯示，揚聲器停止，直到有新號碼輸入。若信號以撥出，可按下掛斷鍵選擇重新輸入，數(shù)碼管清零，揚聲器停止。Y輸入號碼鍵是否按下YY是否按錯清零N撥出NN是否掛斷揚聲器響應Y揚聲器響應時間是否達到10SY清零圖 5 脈沖按鍵電話顯示器系統(tǒng)工作流程圖3 .脈沖按鍵電話顯示器的實現(xiàn)3.1 脈沖按鍵電話顯示器的頂層原理圖 圖6 按鍵電話顯示器頂層原理圖原理圖中輸入部分分別是CLK：秒脈沖信號，1個脈沖代表1秒，則10個脈沖表示10秒鐘。CLK10K：10秒脈沖信號，GUADUAN:掛斷信號，YINDA:確認撥出信號，DIN9.0:09對應數(shù)值輸入端，DELDET:清除信號，DIAL:撥號信號輸入端。原理圖中輸出部分分別是SOUND:揚聲器輸出，SEG6.0:數(shù)碼管對應輸出，SET2.0:動態(tài)掃描數(shù)碼管對應BCD碼輸出3.2 系統(tǒng)各功能模塊的實現(xiàn)3.2.1特殊功能模塊特殊功能模塊實現(xiàn)掛斷電話、確認撥出電話、10S計時、揚聲器響應輸出信號的功能。CLK10K代表10S計時信號的輸入，GUADUAN輸入端為1時信號斷開，數(shù)碼管清零；YINDA輸入端決定信號是否撥出，當YINDA=1時，信號撥出，揚聲器響應，開始計時；JIANCE與SET_SUM模塊的DIAOZHI相連，實現(xiàn)信號檢測的功能，作為輸入端；QINCHU與QIN相連，決定清零功能的實現(xiàn)。 圖7 BEEF模塊圖3.2.2按鍵功能實現(xiàn)模塊圖8 按鍵功能實現(xiàn)模塊圖本模塊是系統(tǒng)的核心模塊之一，實現(xiàn)0-9數(shù)字的輸入以及清零、確認撥號的功能，數(shù)碼管片選的功能。其中DIN9.0輸入端連接9個按鍵，決定數(shù)字09的輸入。CLK輸入端為動態(tài)掃描數(shù)碼管提供頻率。當DIAL為1時，按鍵數(shù)字輸入才有效。CLEAR輸入端決定數(shù)碼管是否清零；SET3.0以BCD碼的方式輸出，決定數(shù)碼管的顯示；SEG32.0的結(jié)果有輸入的數(shù)字決定。3.2.3數(shù)碼管顯示模塊圖9 DISPLAY模塊圖BCD13.0以BCD碼的方式表示0-9的輸入，SEG76.0決定決定數(shù)碼管顯示的數(shù)值，CLK為顯示提供頻率。4鎖定管腳及硬件實現(xiàn)4.1 鎖定管腳圖在驗證按鍵電話顯示器系統(tǒng)的功能之前，需要清楚實驗箱與各個信號之間的對應關系，參照資料得出本設計中各引腳的對應情況如下：圖10 頂層原理圖4.2 硬件實現(xiàn)通過硬件下載，該電路可以完成硬件實現(xiàn)，芯片管腳定義可以直接用編輯pin文件。完成管腳定義后選擇器件，編譯后生成.sof文件。選擇.sof文件進行下載。下載完成后，將第一全局時鐘CLK1的跳線器接8192Hz，將第二全局時鐘CLK2的跳線器接256Hz，將第三全局時鐘CLK3的跳線器接1Hz，用按鍵開關控制數(shù)值的輸入、撥號、確認撥出、清零等功能。數(shù)碼管有右到左顯示當前數(shù)值的輸入。揚聲器具備計時功能。4.2.1 顯示結(jié)果的幾種情況圖11 驗證結(jié)果1數(shù)碼管由右至左顯示為最低位輸入的值。分別按下0-7的按鍵，輸出結(jié)果如上圖所示，按下確認輸出的按鍵，號碼撥出，揚聲器發(fā)出響聲，若10秒內(nèi)無人接聽，自動掛斷，顯示器清除顯示，揚聲器停止，直到有新號碼輸入。若信號輸入時發(fā)生錯誤，可以按下清零鍵，信號清零，如下圖所示。圖12 驗證結(jié)果24.2.2 硬件實現(xiàn)總結(jié)通過對每一模塊的仿真和下載，可以實現(xiàn)各個模塊的邏輯功能，驗證了各個模塊的正確性。按鍵電話顯示器系統(tǒng)的3個模塊中，按鍵功能實現(xiàn)模塊實現(xiàn)0-9數(shù)字的輸入以及清零、確認撥號的功能，數(shù)碼管片選的功能。特殊功能模塊實現(xiàn)掛斷電話、確認撥出電話、10S計時、揚聲器響應輸出信號的功能。數(shù)碼管顯示模塊決定數(shù)碼管的顯示的值。初次進行仿真時出現(xiàn)錯誤，返回修改程序，多次修改才得以下載成功。由于采用CPLD大規(guī)模可編程邏輯器件，整機功耗小、抗干擾能力強、系統(tǒng)穩(wěn)定、工作可靠、升級方便。5設計體會與總結(jié)通過這次緊張而又充實的EDA課程設計，我感受到了VHDL語言和普通軟件語言之間的區(qū)別，也能夠更加熟練地運用VHDL語言進行邏輯電路的設計了，受益匪淺。我們所做的課題是出租車計費器的設計。老師給了我們課程設計題目，在這半個月的實驗操作中，不斷的完善自己的設計要求，將自己的想法融入到實驗的程序中去。最終通過仿真達到了自己預想的效果。有種先苦后甜的成就感。同時在本次試驗中，我們熟練的掌握了Quartus II軟件的使用。學會了如何把自己所設計的程序，通過軟件用波形仿真出來，再通過試驗箱仿真出來。在這次課程設計過程中，要感謝陳老師在課程設計上給予我的幫助，提供給我的支持與建議，特別是幫助我解決了我半個月來一直遇到的運行程序警告多的問題，這是我能順利完成這次報告的主要原因，讓我能把課程設計做得更加完善。在此期間，我不僅學到了許多新知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。其次，我要感謝幫助過我的同學們，他們也為我解決了不少難題。這些東西是無法再平時上課的過程中學到的，實踐出真知，