EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、EDA 技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書面向?qū)I(yè)： 通信工程信息工程自動化電子信息工程電氣工程及其自動化信息與通信工程學(xué)院2016 9 月前 言一、課程性質(zhì)本課程是電子信息工程、通信工程、信息工程和自動化專業(yè)必修的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握 EDA 技術(shù)的開發(fā)流程，學(xué)會利用以硬件描述語言為描述工具，以可編程邏輯器件為實(shí)現(xiàn)載體，在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域熟練應(yīng)用 EDA 技術(shù)，使其具備研究和開發(fā)現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的能力。二、專業(yè)安排本系統(tǒng)分為多個模塊，適合通信工程、信息工程、自動化、電子信息工程、電氣工程及其自動化等專業(yè)使用。三、本書特點(diǎn)本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的特點(diǎn)是引入工程項(xiàng)目機(jī)制來管理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，著重培養(yǎng)學(xué)生的方案設(shè)計(jì)

2、、算法分析和現(xiàn)場調(diào)試能力，為培養(yǎng)卓越工程師打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。I目 錄TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _TOC_250016 前 言I HYPERLINK l _TOC_250015 第一章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1 HYPERLINK l _TOC_250014 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)1 HYPERLINK l _TOC_250013 核心板1 HYPERLINK l _TOC_250012 基礎(chǔ)擴(kuò)展模塊2 HYPERLINK l _TOC_250011 自動控制模塊3 HYPERLINK l _TOC_250010 信號處理模塊3 HYPERLINK l _TOC_250009 通信接口模塊4

3、 HYPERLINK l _TOC_250008 第二章 開發(fā)平臺簡介5 HYPERLINK l _TOC_250007 Quartus II簡介5 HYPERLINK l _TOC_250006 Quartus II開發(fā)流程5 HYPERLINK l _TOC_250005 第三章 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目9 HYPERLINK l _TOC_250004 實(shí)驗(yàn)1 平臺應(yīng)用及全加器設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l _TOC_250003 實(shí)驗(yàn)2 信號發(fā)生器設(shè)計(jì)11 HYPERLINK l _TOC_250002 實(shí)驗(yàn)3 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)13 HYPERLINK l _TOC_250001 實(shí)驗(yàn)4 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

4、16 HYPERLINK l _TOC_250000 實(shí)驗(yàn)5 交通燈控制器設(shè)計(jì)19II第一章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)EDA 中心自主研制，整體結(jié)構(gòu)如圖所示。核心板Altera EP4CE22E22C8N 22320個邏輯單元，594kbit RAM嵌入式儲存器，66乘法器，4 PLL。1、DIP 開關(guān)主要功能是控制高低電平，通過手動控制為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的邏輯信號。系統(tǒng)總共提供了3 位撥檔開關(guān)，當(dāng)開關(guān)的檔位在上方時則輸出高電平“1”，反之則為低電平“0”。2、復(fù)位開關(guān)復(fù)位開關(guān)可以通過手動控制為系統(tǒng)提供脈沖信號。在系統(tǒng)中一共提供了 5 位的按鍵開關(guān)，當(dāng)按下鍵后其輸出為低電平“0”，反之則為高電平“1”

5、。3、發(fā)光二極管 LED由一片 74HC573 鎖存器驅(qū)動，74HC573 使能后，IO 口輸出高電平 LED 點(diǎn)亮，反之 LED 則熄滅，可以模擬二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出。14、數(shù)碼管采用 2 位共陰極數(shù)碼管，由一片 74HC573 鎖存器驅(qū)動數(shù)碼管段選，由兩個三極管S8050 驅(qū)動數(shù)碼管位選，用于顯示兩位數(shù)值。5、蜂鳴器由 1 個無源蜂鳴器和 1 個三極管 S8050 組成。6、儲存1 32M8 Flash W25Q256數(shù)據(jù)儲存與提取。如：語音存儲與回放實(shí)驗(yàn)。7、時鐘使用 50MHz 有源晶振，可以為 AD/DA 和數(shù)字頻率計(jì)提供參考時鐘?；A(chǔ)擴(kuò)展模塊基礎(chǔ)擴(kuò)展模塊有時鐘模塊、數(shù)字信號源、數(shù)碼管模塊

6、、矩陣鍵盤模塊、紅外模塊和溫度模塊。1、時鐘模塊DS1302，DS1302 VCC1 備用電池兩者中的VCC2 VCC10.2V 時，VCC2 DS1302 VCC2 VCC1 時，DS1302 VCC1 供電。X1 X2 32.768kHz 晶振。RST 復(fù)位/RST 輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送；I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端（雙向）；SCLK 始終是輸入端。2、數(shù)字信號源74HC04 反相緩沖器、74HC163 計(jì)數(shù)器、74HC4060 24MHz 74HC04 5V，24M 74HC163 二、四、八分頻，74HC4060 也是實(shí)現(xiàn)分頻，其分頻輸出的頻率都在模塊的相應(yīng)位置查看。3

7、、數(shù)碼管模塊4 74HC573 號。74HC573 LE （輸出同步）。當(dāng)鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。OE 選端。4、矩陣鍵盤模塊44 鍵盤主要是通過編程實(shí)現(xiàn) 0F 的輸入，也可以作為一個控制鍵。其中行占用4 個 I/O，列占用 4 個 I/O。5、紅外模塊紅外模塊中由紅外接收頭HS0038 和一個上拉電阻組成，紅外接收頭的工作頻率為238kHz38kHz 的信號時輸出低電平“0”，反之輸出高電平“1”而實(shí)現(xiàn)紅外信號的解碼。6、溫度模塊溫度模塊由DS18B20和一個上拉電阻組成，DS18B20工作原理：剛啟動時將進(jìn)入AD 轉(zhuǎn)換時，總線控制器發(fā)出44HAD 轉(zhuǎn)換，DS1

8、8B20 器的溫度寄存器中，然后，DS18B20DS18B20“讀時隙”，從而讀出測量到的溫度數(shù)據(jù)通過總線完成與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，DS18B20正在溫度轉(zhuǎn)換中由DQ01。自動控制模塊自動控制模塊有交通燈、步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)控制，其控制引腳均已標(biāo)注在自動控制模塊相應(yīng)位置。1、交通燈控制3 4 12 IO口控制。LEDFPGA IO1K流電阻接在+3.3V電源上， LED指示燈的亮滅通過控制相應(yīng)的IO、步進(jìn)電機(jī)控制4 IOIO L293DD44600mA的電流。、直流電機(jī)控制直流電機(jī)的控制采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）?；驹硎窃诠潭ㄖ芷趦?nèi)，高PNP S8550 IO 口為高電平時，三極管不導(dǎo)通

9、，反之則導(dǎo)通。信號處理模塊AD 采集、DA 1、AD 采集AD AD9280 SMB AD8065 AD 采集。AD9280 是一款單芯片、8 位、32 MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），單電源供電，內(nèi)置一個片內(nèi)采樣保持放大器和基準(zhǔn)電壓源。它采用多級差分流水線架3構(gòu)，數(shù)據(jù)速率達(dá) 32 MSPS，在整個工作溫度范圍內(nèi)保證無失碼。語音采集部分由前級放大電路和300Hz3.4Khz帶通濾波電路組成，語音信號可由MIC入，經(jīng)放大電路后濾波輸出至AD5V05ADAD采集。2、DA 輸出DA 輸出部分是由 AD9708 芯片差分輸出，信號通過七階巴特沃斯濾波后經(jīng)過AD8065 AD8065 放大后由SMB

10、接口輸出。AD9708 是TxDAC 8 CMOS 數(shù)字-8 位，10 位，12 位，14 DACopti-統(tǒng)的發(fā)射信號路徑。所有的設(shè)備共享相同的接口選項(xiàng)，小外形封裝和引腳分布，從而提供了一個向上或向下的根據(jù)性能，分辨率選擇適合的器件和成本。AD9708 的交流和直流性能同時支持更新速率高達(dá) 125MSPSLM386 DA 輸出至濾波電路濾波，可通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號幅度。通信接口模塊通信接口模塊有RS232 接口、PS/2 接口、RS485 接口、USB 接口、VGA 接口。其信號輸入輸出均已標(biāo)注在通信接口模塊相應(yīng)位置。1、RS232 接口RS232 接口通過一個標(biāo)準(zhǔn)的 DB9 母頭和外部的串口

11、線連接帶有串口的電腦或者其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn) RS232 串口通信。2、PS/2 接口PS/2 接口用于連接電腦鼠標(biāo)和鍵盤等 PS/2 設(shè)備，通過 PS/2 口，僅僅需要兩個 IO口，就可以擴(kuò)展一個鍵盤。3、RS485 接口RS485 MAX485 RS485 A BGND，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)雙向通信，數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)千米。4、USB 接口USB 接口采用PL2303 來實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口，同時對串口信號設(shè)置了兩個 LED 指示燈，用于指示串口數(shù)據(jù)收發(fā)。5、VGA 接口VGA 接口主要是通過編程實(shí)現(xiàn)VGA 視頻信號在監(jiān)視器上顯示，其中包含R、G、B、HS、VS 來控制視頻顯示。4第二章 開發(fā)平臺簡介Quar

12、tus II簡介Quartus II Altera EDA 開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、Verilog HDL AHDL 等設(shè)計(jì)模式，內(nèi)嵌綜合器和仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整設(shè)計(jì)流程。Quartus II Altera IP LPM/MegaFunction EDA 工具。Quartus II開發(fā)流程一、創(chuàng)建工程1、建立工程目錄新建一個文件夾，用于存放工程文件。文件路徑中不能包含中文。2、新建工程單擊菜單 File | New Project Wizard。指定工程目錄、名稱和頂層設(shè)計(jì)實(shí)體，選擇目標(biāo)芯片。將工程視圖切換到 Files 標(biāo)簽。53、新建文件單擊工具欄上的按鈕或菜

13、單File | New。Design Files Block Diagram/Schematic FileDesign Files Verilog HDL File，新建源程序文件。Memory Files Hexadecimal File Memory Initialization File始化文件。選擇 Verifica/Debugging Files 下的 Unive Program VWF，新建仿真波形文件。Name框中輸入元件名稱，可找到需要的元件。MegaWizard Plug-In Manager 4、保存文件6單擊工具欄上的按鈕或菜單File | Save As，保存文件。在工

14、程視圖中，如果有所需文件的圖標(biāo)，選中Files圖標(biāo)，單擊右鍵后選擇Add/Remove Filesin Project。單擊文件管理對話框中的按鈕，找到所需文件后，單擊按鈕可將文件入工程，單擊按鈕可將文件移出工程。5、設(shè)置頂層實(shí)體在工程視圖中，選中頂層元件對應(yīng)的文件的圖標(biāo)，單擊右鍵后選擇Set as Top-level Entity，將其設(shè)置為頂層實(shí)體。二、編譯工程單擊工具欄上的按鈕或者菜單Processing | Start Compilation。全程編譯包括排錯、網(wǎng)表文件提取、邏輯綜合、適配、裝配文件生成和時序分析等。如果有錯誤，可雙擊錯誤條文，修改原理圖或源程序，重新編譯工程。三、分配

15、引腳單擊工具欄上的按鈕或者菜單Assignments | Pin Planner。Location 完引腳后，重新編譯工程。7四、下載單擊工具欄上的按鈕或者菜單Tools | Programmer。No Hardware鍵，選中按鈕，打開設(shè)備管理器，展開圖標(biāo)，找到未知設(shè)備或Altera USB-Blaster Quartus quartusdriversusb-blaster 文件夾，即可安裝驅(qū)動程序。在下載窗口，單擊按鈕，單擊下拉列表， USB-Blaster 選項(xiàng)，再單擊按鈕。Progress 100%，程序下載完成。五、運(yùn)行改原理圖或源程序，重新編譯、分配引腳和下載。8第三章 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1

16、 平臺應(yīng)用及全加器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本次實(shí)驗(yàn)，掌握 Quaru II 的開發(fā)流程，學(xué)會多層次電路的設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)一個一位全加器，實(shí)現(xiàn)加法計(jì)算。撥碼開關(guān) K8K6 狀態(tài)分別作為被加數(shù)、加數(shù)和低位進(jìn)位，求和結(jié)果送 2 個 LED 顯示。三、實(shí)驗(yàn)方案Quaru II 1、設(shè)計(jì)半加器File | Create/UpdateCreate Symbol Files for Current File 的元件符號。2、設(shè)計(jì)全加器Files as Top-level Entity，將其設(shè)置為頂層實(shí)體。3、開關(guān)電路撥碼開關(guān) K8K6 往上打引入高電平，往下打引入低電平。94、顯示電路LED 陰極接地

17、，陽極接 74HC573 的輸出端。5、引腳分配四、實(shí)驗(yàn)測試撥動開關(guān) K8K6，改變被加數(shù)、加數(shù)和低位進(jìn)位，觀察發(fā)光二極管顯示的和與高位進(jìn)位。測試結(jié)果如下圖所示。五、實(shí)驗(yàn)心得102 信號發(fā)生器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本次實(shí)驗(yàn)，掌握宏功能模塊設(shè)計(jì)的應(yīng)用，學(xué)會信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)一個信號發(fā)生器，輸出周期為 128 秒的正弦波。數(shù)字量送 8 個 LED 顯示。三、實(shí)驗(yàn)方案50MHz1Hz1個MIF文件保存正弦波信號單周期的128 1 ROM MIF128計(jì)數(shù)器提供，時鐘為 1Hz。ROM 輸出的 8 位數(shù)字量送 8 個 LED 顯示。1、顯示電路LED 陰極接地，陽極接 74HC573

18、 的輸出端。2、分頻50MHz 1Hz ROM 掃描。插入lpm_counte50000000 261Hz 時鐘。3、地址計(jì)數(shù)ROM 128 7ROM 的地址總線。114、正弦波 ROMMIF文件設(shè)置字?jǐn)?shù)為 128，字長為 8，保存正弦波信號單周期的 128 個樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)。MegaWizard Plug-In ManagerROM:1-PORT 1288MIF 5、引腳分配四、實(shí)驗(yàn)測試觀察發(fā)光二極管顯示的正弦波樣本點(diǎn)的值。測試結(jié)果如下圖所示。五、實(shí)驗(yàn)心得12實(shí)驗(yàn) 3 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本次實(shí)驗(yàn)，掌握電壓測量原理，學(xué)會采樣控制和數(shù)碼管動態(tài)顯示的設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)一個數(shù)字電壓表

19、，可對 05V 電壓進(jìn)行測量，電壓值送 2 位數(shù)碼管顯示。三、實(shí)驗(yàn)方案AD92805V ADC 2 位數(shù)碼管顯示。1、電壓采集電路利用 AD9280 實(shí)現(xiàn)電壓信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。2、顯示電路利用 2位共陽極數(shù)碼管 5621BS-S顯示電壓值。74HC573驅(qū)動數(shù)碼管的段碼ADP，2 個三極管 S8050 驅(qū)動數(shù)碼管的位碼 D1D2。133、動態(tài)顯示分頻50MHz 輸入時鐘分頻后得到 1KHz 時鐘，用來對數(shù)碼管掃描。4、電壓值轉(zhuǎn)換AD9280 ADCCLK 0.0V5.0V 電壓值。理0V5V 02550V5V 126231ADC 結(jié)果為 x，電壓值為 y。y 0 x 1265 0231 126

20、y x 126215、顯示控制位、數(shù)碼管顯示譯碼、74HC573 輸出允許、數(shù)碼管位碼輸出、數(shù)碼管段碼輸出和數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)顯示。5、引腳分配四、實(shí)驗(yàn)程序/數(shù)碼管位碼更新 always (countscan16)case(countscan16)1b0: 1b1: endcase14/數(shù)碼管段碼更新always (countscan16,adtemp) case(countscan16)1b0: disp_data=adtemp/10; 1b1: disp_data=adtemp%10;endcase五、實(shí)驗(yàn)測試旋轉(zhuǎn)電位器，觀察數(shù)碼管顯示的電壓值。測試結(jié)果如下圖所示。六、實(shí)驗(yàn)心得154 數(shù)字頻率計(jì)

21、設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本次實(shí)驗(yàn)，掌握頻率測量原理，學(xué)會級聯(lián)計(jì)數(shù)和數(shù)碼管動態(tài)顯示的設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)一個數(shù)字頻率計(jì)，測量輸入信號的頻率，送 8 位數(shù)碼管顯示。三、實(shí)驗(yàn)方案1、顯示電路2 4 HS420361K-32 2 74HC573 ADP COM1COM4。2、動態(tài)顯示分頻50MHz 輸入時鐘分頻后得到 1KHz 時鐘。3、頻率測量分頻50MHz 輸入時鐘分頻后得到 1Hz 時鐘。4、頻率測量引入多個進(jìn)程，分別實(shí)現(xiàn)頻率測量允許、鎖存和清零信號輸出、頻率值鎖存。16頻率測量的控制信號時序如下圖所示。4 位計(jì)數(shù)值和進(jìn)位輸出信號。8 6 各計(jì)數(shù)器通過基準(zhǔn)時鐘輸入信號和進(jìn)位輸出信號相互級聯(lián)。5

22、、顯示控制顯示譯碼、數(shù)碼管段碼和位碼輸出切換。6、引腳分配四、實(shí)驗(yàn)程序/數(shù)碼管段碼和位碼輸出切換always (countscan9:8,seg_reg,bit_reg) case(countscan9:8)2h0:beginSEG=seg_reg;/段碼送數(shù)據(jù)OE=1b1;/禁止輸出LED=1b1;LEB=1b0;end172h1:beginSEG=bit_reg; OE=1b1; LED=1b0; LEB=1b1;/位碼送數(shù)據(jù)線/禁止輸出end 2h2,2h3:beginSEG=8h0; OE=1b0; LED=1b0; LEB=1b0;/數(shù)據(jù)線輸入無效/允許輸出endendcase五、實(shí)驗(yàn)測試改變分頻電路中短路片的位置，觀察數(shù)碼管顯示的信號頻率值。測試結(jié)果如下圖所示。六、實(shí)驗(yàn)心得18實(shí)驗(yàn) 5 交通燈控制器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆椒?。二、?shí)驗(yàn)任務(wù)8 K6 往上打?yàn)閮?yōu)先通車模式，往下打?yàn)槠胀ㄍㄜ嚹Ｊ?。三、?shí)驗(yàn)方案1、開關(guān)電路撥碼開關(guān) K8K6 往上打引入高電平，往下打引入低電平。、交通燈顯示電路、倒計(jì)時顯示電路利用 2 個 4 位共陰極數(shù)碼管 HS420361K-32 分別顯示兩個方向的