FPGA綜合實驗項目介紹(電子科技大學(xué))課件

1、電子技術(shù)綜合實驗電子技術(shù)綜合實驗FPGA FPGA 應(yīng)用設(shè)計應(yīng)用設(shè)計主要內(nèi)容主要內(nèi)容5.5.數(shù)字頻率計綜合設(shè)計數(shù)字頻率計綜合設(shè)計3.3.智力搶答器綜合設(shè)計智力搶答器綜合設(shè)計4.4.加速度傳感器加速度傳感器的的計步器計步器 綜合設(shè)計綜合設(shè)計1.1.數(shù)字跑表綜合設(shè)計數(shù)字跑表綜合設(shè)計2.2.交通燈控制器綜合設(shè)計交通燈控制器綜合設(shè)計3 數(shù)字跑表綜合設(shè)計數(shù)字跑表綜合設(shè)計4指標(biāo)指標(biāo)1 1、跑表精度為、跑表精度為0.010.01秒秒2 2、跑表計時范圍為：、跑表計時范圍為：1 1小時小時3 3、設(shè)置開始計時、設(shè)置開始計時/ /停止計時、復(fù)位兩個按鈕停止計時、復(fù)位兩個按鈕4 4、顯示工作方式：用六位、顯示工作

2、方式：用六位BCDBCD七段數(shù)碼管顯示讀數(shù)。顯示格式：七段數(shù)碼管顯示讀數(shù)。顯示格式：擴展功能：擴展功能：按鍵消抖；選手時間分時顯示按鍵消抖；選手時間分時顯示 分 秒 0.01秒5系統(tǒng)組成（基本要求）系統(tǒng)組成（基本要求）使能控制計數(shù)器石英振蕩器分頻器顯示控制開始/停止按鍵時間顯示復(fù)位按鍵6系統(tǒng)組成（擴展要求）系統(tǒng)組成（擴展要求）消抖電路計數(shù)器石英振蕩器分頻器顯示控制開始/復(fù)位按鍵時間顯示選手到終點計時存/取按鍵數(shù)據(jù)鎖存數(shù)據(jù)讀取7內(nèi)部模塊內(nèi)部模塊計數(shù)器計數(shù)器分頻器分頻器掃描顯示及譯碼控制掃描顯示及譯碼控制開始開始/停止使能控制停止使能控制清零控制清零控制 8提供的標(biāo)準(zhǔn)信號是48MHz 輸出二個信號

3、1KHz、100Hz分頻器模塊設(shè)計模塊設(shè)計 9123 4512 3 4 5 1 2clkinclkout10個個 主要語句：主要語句： if clkinevent and clkin = 1 then if cnt = 5 then cnt = 1; clkout =not clkout; else cnt = cnt + 1; end if; end if;例 if clkinevent and clkin=1 then if cnt=10 then cnt=1; else cnt=cnt+1;end if; end if;end process;clkmid=conv_std_logic_

4、vector(cnt,4);clkout=clkmid(3);分頻器實現(xiàn)原理分頻器實現(xiàn)原理10 計數(shù)器計數(shù)器單級計數(shù)器計數(shù)器級聯(lián)后模塊設(shè)計模塊設(shè)計 11級聯(lián)方式：同步級聯(lián)和異步級聯(lián)級聯(lián)方式：同步級聯(lián)和異步級聯(lián) 同步級聯(lián)原理圖：同步級聯(lián)原理圖：12異步級聯(lián)原理圖：異步級聯(lián)原理圖：13模塊設(shè)計模塊設(shè)計 譯碼顯示控制8位數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式數(shù)碼管為共陽數(shù)碼管G數(shù)碼管工作原理數(shù)碼管工作原理15顯示原理顯示原理掃描計數(shù)CLK數(shù)據(jù)選擇SEL(2:0)MH(3:0)ML(3:0)SH(3:0)SL(3:0)DS(3:0)CS(3:0)七段譯碼器SIG(3:0)SEG(6:0)G交通燈控制器綜合設(shè)計 設(shè)計一

5、個十字路口的交通燈控制電路； l 東西方向車道和南北方向車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設(shè)為45秒，時間可設(shè)置修改；l 在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，要求黃燈先亮5秒鐘，才能變換運行車道； l 黃燈亮?xí)r，要求每秒閃亮一次；l 每一種燈亮的時間用數(shù)碼管進行顯示 （采用倒計時法顯示）。 功能要求功能要求 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成分頻器分頻器到計時到計時計數(shù)器計數(shù)器信號燈信號燈轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器東西方向東西方向信號燈信號燈南北方向南北方向信號燈信號燈 狀態(tài)圖狀態(tài)圖 真值表真值表 分頻電路設(shè)計 計數(shù)器設(shè)計 狀態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)計 時間顯示器設(shè)計內(nèi)部模塊內(nèi)部模塊22 智力搶答器綜合設(shè)計智力搶答器綜合設(shè)計 編號為編號為1-

6、61-6的選手在規(guī)定的時間內(nèi)（的選手在規(guī)定的時間內(nèi)（1010秒）按秒）按鍵搶答；鍵搶答； 搶中編號鎖定顯示，其他無效；搶中編號鎖定顯示，其他無效； 主持按鍵控制清零和開始；主持按鍵控制清零和開始； 選手搶中后在規(guī)定的時間內(nèi)（選手搶中后在規(guī)定的時間內(nèi)（3030秒）答提秒）答提; ; 具有報警提示功能，分別提示搶答開始，有人具有報警提示功能，分別提示搶答開始，有人搶答，搶答時間到，答題時間到。報警延時學(xué)搶答，搶答時間到，答題時間到。報警延時學(xué)號號+500+500，單位，單位msms； 23基本功能基本功能24模塊組成模塊組成u 編碼鎖存器編碼鎖存器u 搶答定時器搶答定時器u 答題定時器答題定時器u

7、 報警延遲器報警延遲器u 多路選擇器多路選擇器u 掃描控制器掃描控制器25可編程實現(xiàn)原理框圖可編程實現(xiàn)原理框圖主持主持按鍵按鍵時鐘時鐘選手選手按鍵按鍵編碼編碼鎖存器鎖存器搶答搶答定時器定時器顯示顯示輸出輸出報警器報警器報警報警輸出輸出答題答題定時器定時器掃描掃描控制器控制器多路多路選擇器選擇器掃描掃描輸出輸出26模塊設(shè)計模塊設(shè)計u編碼鎖存器編碼鎖存器l 開始信號低電平有效開始信號低電平有效l 選手按鍵為負觸發(fā)選手按鍵為負觸發(fā)l 選手編碼輸出為七段顯示數(shù)碼信號，共陽管。選手編碼輸出為七段顯示數(shù)碼信號，共陽管。27u編碼鎖存器內(nèi)部流程編碼鎖存器內(nèi)部流程1START搶答時間到搶答時間到編編碼碼器器X

8、S(5:0)鎖鎖存存器器Q_ZQ(6:0)S(6:0)QZ選手輸入選手輸入開始與清零開始與清零搶中信號搶中信號SJD_QD搶中選手號碼搶中選手號碼選手號碼選手號碼28u編碼鎖存器內(nèi)部流程編碼鎖存器內(nèi)部流程2START時間到時間到鎖鎖存存編編碼碼XS(5:0)S(6:0)Q_Z選手輸入選手輸入開始與清零開始與清零搶中信號搶中信號SJD_QD搶中選手號碼搶中選手號碼或29模塊設(shè)計模塊設(shè)計u搶答定時器搶答定時器l 開始信號低電平有效開始信號低電平有效l 系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘48MHz48MHzl 計時計時5 5秒，輸出數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示（共陽）秒，輸出數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示（共陽）30u搶答定時器內(nèi)部流程搶答定時器

9、內(nèi)部流程分分頻頻器器CLK倒倒計計數(shù)數(shù)器器1HzQ(40)STARTQZSJD_QD時間到時間到主持人主持人搶中搶中時間數(shù)據(jù)時間數(shù)據(jù)48MHz七七段段譯譯碼碼器器DOUT(6:0)31模塊設(shè)計模塊設(shè)計u答題定時器答題定時器l 模塊計時啟動信號模塊計時啟動信號QZQZ，來自編碼鎖存的搶中信號，來自編碼鎖存的搶中信號l 系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘48MHz48MHzl 計時計時1010秒，輸出數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示（共陽）秒，輸出數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示（共陽）32u答提定時器內(nèi)部流程答提定時器內(nèi)部流程分分頻頻器器CLK倒倒計計數(shù)數(shù)器器1HzQ(90)QZSJD_DT時間到時間到搶中搶中時間數(shù)據(jù)時間數(shù)據(jù)48MHz七七段段譯譯

10、碼碼器器SOUT(6:0)33模塊設(shè)計模塊設(shè)計u報警延遲器報警延遲器l 系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘48MHz48MHzl 報警源：報警源：startstart，qzqz，sjd_qdsjd_qd，sjd_dtsjd_dt。l 報警輸出報警輸出qzqz，每個源觸發(fā)低電平有效，持續(xù)，每個源觸發(fā)低電平有效，持續(xù)200ms200ms34報報警警觸觸發(fā)發(fā)STARTQZ搶中搶中SJD_QD 搶答時間到搶答時間到B_J報警輸出報警輸出開始開始延延遲遲計計時時器器SJD_DT 答題時間到答題時間到CLK 系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘48MHZ48MHZBJu報警延遲器內(nèi)部流程報警延遲器內(nèi)部流程135u報警延遲器內(nèi)部流程報警延遲器內(nèi)

11、部流程2或與門與門報警輸出報警輸出BJQZSTART觸發(fā)觸發(fā)計數(shù)延時計數(shù)延時1 SJD_QDSJD_DTBJ1BJ2BJ3BJ4觸發(fā)觸發(fā)計數(shù)延時計數(shù)延時2 觸發(fā)觸發(fā)計數(shù)延時計數(shù)延時3 觸發(fā)觸發(fā)計數(shù)延時計數(shù)延時4 CLK36模塊設(shè)計模塊設(shè)計u多路選擇器多路選擇器l 數(shù)據(jù)輸入：搶中選手號碼，搶答計時，答題計時，數(shù)據(jù)輸入：搶中選手號碼，搶答計時，答題計時， 三個數(shù)據(jù)均是七段碼信號。三個數(shù)據(jù)均是七段碼信號。l 選擇控制：選擇控制：來自掃描輸出的兩位信號。來自掃描輸出的兩位信號。l 數(shù)據(jù)輸出：數(shù)碼管七位信號數(shù)據(jù)輸出：數(shù)碼管七位信號37模塊設(shè)計模塊設(shè)計u掃描控制器掃描控制器l 系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘48MHz4

12、8MHzl 輸出掃描頻率控制在輸出掃描頻率控制在1KHZ100KHZ1KHZ100KHZ左右左右。38u掃描模塊內(nèi)部流程掃描模塊內(nèi)部流程分分頻頻器器CLK模模8計計數(shù)數(shù)器器48KHzS(2:0)48MHzCLK_100039系統(tǒng)圖系統(tǒng)圖加速度傳感器計步器綜合設(shè)計 （1）運用加速度傳感器、放大電路以及基于運用加速度傳感器、放大電路以及基于555定定時器的脈沖整形電路的相關(guān)原理，設(shè)計一個能夠檢測步時器的脈沖整形電路的相關(guān)原理，設(shè)計一個能夠檢測步頻加速信號，并將步頻加速信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號的步頻頻加速信號，并將步頻加速信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號的步頻脈沖產(chǎn)生電路。脈沖產(chǎn)生電路。（2）在步頻脈沖產(chǎn)生電路基礎(chǔ)之上

13、，設(shè)計基于）在步頻脈沖產(chǎn)生電路基礎(chǔ)之上，設(shè)計基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)，完成對步頻脈沖信號的計數(shù)及掃描的數(shù)字系統(tǒng)，完成對步頻脈沖信號的計數(shù)及掃描顯示。顯示。（3）傳感電路）傳感電路輸出脈沖高電平輸出脈沖高電平3V0.5V。（4）步頻計數(shù)范圍步頻計數(shù)范圍099循環(huán)計數(shù)，用兩個數(shù)碼管循環(huán)計數(shù)，用兩個數(shù)碼管掃描顯示。掃描顯示。任務(wù)與指標(biāo)任務(wù)與指標(biāo)系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 傳感電路（硬件）+ 計步器電路（HDL)加速度傳感電路硬件設(shè)計加速度傳感電路硬件設(shè)計原理圖加速度傳感電路硬件設(shè)計加速度傳感電路硬件設(shè)計PCB圖加速度傳感電路硬件設(shè)計加速度傳感電路硬件設(shè)計元器件清單 加速度傳感電路硬件設(shè)計加速度傳感電路硬件設(shè)計調(diào)

14、試波形計步器功能計步器功能FPGA程序設(shè)計程序設(shè)計系統(tǒng)模塊組成系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試49 數(shù)字頻率計綜合設(shè)計數(shù)字頻率計綜合設(shè)計功能指標(biāo)功能指標(biāo) 1、被測輸入信號：方波 2、測試頻率范圍為：10Hz100MHz 3、量程分為三檔：第一檔：閘門時間為1S時，最大讀數(shù)為999.999KHz 第二檔：閘門時間為0.1S時，最大讀數(shù)為9999.99KHz 第三檔：閘門時間為0.01S時，最大讀數(shù)為99999.9KHz4、顯示工作方式：a、用六位BCD七段數(shù)碼管顯示讀數(shù)。 b、采用記憶顯示方法 c、實現(xiàn)對高位無意義零的消隱。 51u 頻率的概念頻率的概念u 頻率測量方法頻率測量方法u 設(shè)計方框圖設(shè)計方框

15、圖u 模塊設(shè)計模塊設(shè)計設(shè)計分析設(shè)計分析52頻率的概念頻率的概念 所謂所謂“頻率頻率”，就是周期性信號在單，就是周期性信號在單位時間位時間(1(1秒秒) )內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定的時內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定的時間間隔間間隔T T內(nèi)計數(shù)，計得某周期性信號的重內(nèi)計數(shù)，計得某周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為復(fù)變化次數(shù)為N N，則該信號的頻率可表達，則該信號的頻率可表達為：為：f = N / Tf = N / TTt53頻率測量方法頻率測量方法直接測量法直接測量法 被測被測信號信號輸入輸入閘門閘門計數(shù)器計數(shù)器放大整形放大整形時基信號時基信號發(fā)生器發(fā)生器門控門控電路電路TTNfx54TTNNffxx其中其中 xT

16、fNNN11ccffTT稱為稱為1誤差誤差稱為稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差直接測量法誤差直接測量法誤差 55周期測量法周期測量法 頻率測量方法頻率測量方法TCCXNTTxfxxTf/156ccxxTTNNTT周期測量法誤差周期測量法誤差 其中其中 xTfNNN11稱為稱為1誤差誤差ccCcffTT稱為稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差57被被測測信信號號輸輸入入設(shè)計方框圖設(shè)計方框圖閘門閘門計數(shù)器計數(shù)器放放大大整整形形門控電路門控電路石英石英振蕩器振蕩器鎖存器鎖存器分頻器分頻器閘門閘門選擇選擇掃描顯示掃描顯示控制子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)( (顯示譯碼顯示譯碼掃描控制掃描控制) )閘門選閘門選擇開關(guān)擇開關(guān)Gat

17、eGateOverOver被被測測頻頻率率顯顯示示GATEGATECLEARCLEARLATCHLATCH58FINGATELATCHCLEAR1秒秒測頻時序關(guān)系測頻時序關(guān)系59l 分頻器的功能是產(chǎn)生所需閘門控分頻器的功能是產(chǎn)生所需閘門控制信號及掃描時鐘信號制信號及掃描時鐘信號l 提供的標(biāo)準(zhǔn)信號是提供的標(biāo)準(zhǔn)信號是48MHz l 輸出四個信號輸出四個信號1Hz，10Hz， 100Hz，1KHz u分頻器分頻器模塊設(shè)計模塊設(shè)計 60u閘門選擇器閘門選擇器 實現(xiàn)對輸入的幾個閘門信號的手動實現(xiàn)對輸入的幾個閘門信號的手動選擇選擇輸出被選中的閘門信號以及小數(shù)點輸出被選中的閘門信號以及小數(shù)點的控制信號的控制

18、信號DP1，DP2，DP3 模塊設(shè)計模塊設(shè)計 主要語句示例：主要語句示例：if se1 = 1 and se10 = 0 and se100= 0 then fref = f1hz; dp1= 0; dp2= 1; dp1= 1;61u測頻控制器測頻控制器 控制整個頻率計各模塊的工作時序控制整個頻率計各模塊的工作時序 產(chǎn)生閘門信號產(chǎn)生閘門信號Gate，鎖存信號，鎖存信號L Latch以及清零信號以及清零信號Reset 模塊設(shè)計模塊設(shè)計 主要語句示例：主要語句示例：if rising_edge(Bsignal) then G1=not G1;end if;if falling_edge(bsignal) thenG2=not G1;end if;gate=G1;latch=G2;62u頻率計數(shù)器頻率計數(shù)器單級計數(shù)器（單級計數(shù)器（十進制）十進制）計數(shù)器級聯(lián)后計數(shù)器級聯(lián)后模塊設(shè)計模塊設(shè)計 63級聯(lián)方式：同步級聯(lián)和異步級聯(lián)級聯(lián)方式：同步級聯(lián)和異步級聯(lián) 同步級聯(lián)