EDA課程設(shè)計(jì)鍵盤掃描與數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)課程名稱EDA課程設(shè)計(jì)課題名稱鍵盤掃描與數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)班級(jí)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師PAGE4湖南工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱:EDA技術(shù)題目:鍵盤掃描與數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)老師：審批：任務(wù)書下達(dá)日期設(shè)計(jì)完成日期設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)并調(diào)試鍵盤掃描與數(shù)碼管顯示電路；鍵盤為3*4，數(shù)碼管為7段8位；以數(shù)字形式顯示鍵盤12個(gè)輸入鍵的識(shí)別；外設(shè)置控制開關(guān)和防抖動(dòng)電路；功能擴(kuò)展（自選）；完成加減運(yùn)算或某外部硬件對(duì)象的控制設(shè)計(jì)要求：1.設(shè)計(jì)思路清晰，整體設(shè)計(jì)給出框圖，提供頂層電路圖；2.應(yīng)用vhdl或verilog完成各次級(jí)模塊設(shè)計(jì)，給出具體設(shè)計(jì)程序；3.完成設(shè)計(jì)仿真和程序下載；4.寫出設(shè)計(jì)報(bào)告主要設(shè)計(jì)條件提供EDA實(shí)驗(yàn)室；提供EL實(shí)驗(yàn)箱和CPLD芯片提供ALTERA公司的quartusⅡ設(shè)計(jì)軟件；說明書格式課程設(shè)計(jì)封面；任務(wù)書；說明書目錄；設(shè)計(jì)總體思路；單元電路設(shè)計(jì)程序；設(shè)計(jì)仿真；編程下載；總結(jié)與體會(huì)；附錄；參考文獻(xiàn)。進(jìn)度安排月日~日課題電路設(shè)計(jì)。月日~日總體電路設(shè)計(jì)和子模塊設(shè)計(jì)月日~日軟件仿真和聯(lián)線。月日~日電路調(diào)試月日寫設(shè)計(jì)報(bào)告，打印相關(guān)圖紙，月日答辯；參考文獻(xiàn)PAGE10目錄引言 2第一章總體方案設(shè)計(jì)分析 21.1基本設(shè)計(jì)思路 21.2總體框圖 3第二章子模塊程序模塊分析 32.1鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)與分析 32.1.1基本設(shè)計(jì)思路 32.1.2鍵盤掃描、編碼輸出、消抖模塊 42.2加減功能模塊程序與分析 42.2.1功能模塊基本設(shè)計(jì)思路 42.2.2加減功能模塊 52.3數(shù)碼管顯示模塊 52.3.1顯示模塊基本設(shè)計(jì)思路 52.3.2數(shù)碼管顯示模塊 5第三章子模塊仿真圖 63.1鍵盤掃描模塊仿真圖 63.2防抖動(dòng)電路仿真圖 73.3加減法電路仿真圖 73.4數(shù)碼管電路仿真圖 83.5總電路仿真波形圖 8第四章程序下載 94.1程序下載 9第五章心得體會(huì) 10附錄A：系統(tǒng)硬件原理圖 11附錄B：程序清單 12附錄C：參考文獻(xiàn) 21電氣信息學(xué)院課程設(shè)計(jì)評(píng)分表 22引言隨著電子技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率的要求越來越高，傳統(tǒng)的單片機(jī)早已不能滿足這種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。與此同時(shí)，可編程器件FPGA/CPLD以其強(qiáng)大的功能，開發(fā)過程投資小、周期短，可反復(fù)編程修改，開發(fā)工具智能化等特點(diǎn)，成為當(dāng)今硬件設(shè)計(jì)的潮流；相比而言，F(xiàn)PGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它的集成度高，可完成極其復(fù)雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能，更適用于告訴、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。近幾十年來，可編程器件FPGA/CPLD成本大幅降低，且隨著EDA技術(shù)的日益普及，F(xiàn)PGA/CPLD以其較好的集成度和穩(wěn)定性、可編程實(shí)現(xiàn)與升級(jí)的特點(diǎn)，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)使用altera的芯片，開發(fā)過程中采用quartusII實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。基本流程為：首先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，包括引腳的確定、時(shí)序關(guān)系、功能框圖和模塊劃分、數(shù)據(jù)處理流程和方法等；然后依據(jù)模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，確定結(jié)果無誤后進(jìn)行布局和布線，生成配置文件；在下載前進(jìn)行時(shí)序分析；最后下載、測試，從而完成設(shè)計(jì)。第一章總體方案設(shè)計(jì)分析1.1基本設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)利用鍵盤掃描程序完成4*4鍵盤的掃描并編碼輸出按鍵值，然后對(duì)按鍵輸出值進(jìn)行消抖，以保證每次按鍵值都能準(zhǔn)確無誤的輸出，同時(shí)利用加減功能模塊對(duì)輸入值進(jìn)行簡單的加法、減法操作，并將加減之后的結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼輸出到顯示控制模塊，通過顯示控制模塊將加減后的結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。本設(shè)計(jì)對(duì)時(shí)鐘的利用充分，通過同一個(gè)時(shí)鐘使各個(gè)模塊之間協(xié)同工作，充分利用時(shí)鐘的上下邊沿，使整個(gè)系統(tǒng)處于一種高速工作狀態(tài)，以提高整個(gè)系統(tǒng)工作效率。1.2總體框圖鍵盤輸入鍵盤輸入鍵盤掃描及消抖加減功能模塊數(shù)碼管顯示模塊時(shí)鐘脈沖第二章子模塊程序模塊分析2.1鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)與分析2.1.1基本設(shè)計(jì)思路 本模塊采用行輸入，列輸出，并定義一個(gè)4進(jìn)制計(jì)數(shù)信號(hào)，在時(shí)鐘脈沖的上升沿輸入時(shí)計(jì)數(shù)，利用4進(jìn)制提供行掃描信號(hào)，在沒有按鍵按下時(shí)，行掃描的輸出信號(hào)變化順序?yàn)?001→0010→0100→1000→……依次周而復(fù)始。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，在時(shí)鐘的下降沿延按鍵輸出，同時(shí)將行掃描值與列輸入值合并形成組合值作為按鍵的輸入值，并對(duì)按鍵的輸入值進(jìn)行編碼使其輸出為4位二進(jìn)制值。按鍵時(shí)通常會(huì)造成持續(xù)時(shí)間不大于10ms的信號(hào)抖動(dòng)，這種抖動(dòng)使系統(tǒng)無法正確識(shí)別按鍵的操作次數(shù)，本系統(tǒng)的抖動(dòng)消除電路使用一個(gè)16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)輸入值在計(jì)數(shù)16次的過程中沒有變化時(shí)，則認(rèn)為該值為一個(gè)正確的可識(shí)別的數(shù)值，同時(shí)輸出該值。2.1.2鍵盤掃描、編碼輸出、消抖模塊圖中clkin為時(shí)鐘脈沖輸入，在該模塊中利用時(shí)鐘的上下邊沿，使該工作模塊更高效，keyin為按鍵輸入值，keyvalueout為編碼，消抖輸出值。2.2加減功能模塊程序與分析2.2.1功能模塊基本設(shè)計(jì)思路本模塊能完成簡單的加、減操作和清0顯示操作，由于該模塊從鍵盤得到的編碼值每次只能輸入一個(gè)按鍵值，所以在加減法中首先用一個(gè)信號(hào)保存第一次輸入的值，當(dāng)輸入的是加號(hào)或減號(hào)時(shí)，將第一次的輸入值與‘0’組成組合值，可以當(dāng)再次按鍵時(shí)，用另一個(gè)信號(hào)保存一個(gè)新的輸入值，最后當(dāng)“=”按下時(shí)兩個(gè)輸入值根據(jù)加減號(hào)所對(duì)應(yīng)的編碼執(zhí)行將相加或相減，從組合值最高位可以得到加減后的結(jié)果的進(jìn)位或借位，并通過對(duì)最高位和低四位的判斷的判斷，將最后結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼并輸出輸出到數(shù)碼管顯示。2.2.2加減功能模塊圖中diavaluein[3..0]為按鍵輸入值，disvalueout0[3..0]為計(jì)算結(jié)果的十位值，disvalueout1[3..0]為個(gè)位值2.3數(shù)碼管顯示模塊2.3.1顯示模塊基本設(shè)計(jì)思路每個(gè)數(shù)碼管有8個(gè)段：h、g、f、e、d、c、b、a（dp是小數(shù)點(diǎn)）都連在一起，8個(gè)數(shù)碼管分別由8個(gè)選通信號(hào)k1~k8來選擇。被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。例如，在某一時(shí)刻，k3為高電平，其余選通信號(hào)為低電平，這時(shí)僅k3對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管顯示來自段信號(hào)端的數(shù)據(jù)，而其他7個(gè)數(shù)碼管呈現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)這種電路狀況，如果希望在8個(gè)數(shù)碼管顯示希望的數(shù)據(jù)，就必須使得8個(gè)選通信號(hào)k1~k8分別被單獨(dú)選通，與此同時(shí)，在段信號(hào)輸入口加上希望在該對(duì)應(yīng)數(shù)碼管上顯示的數(shù)據(jù)，于是隨著選通信號(hào)的掃變，根據(jù)人眼的視覺暫留原理，就能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示的目的2.3.2數(shù)碼管顯示模塊本次課程設(shè)計(jì)只用到了其中兩個(gè)數(shù)碼管，所以在BT中只需選擇高兩位顯示即可，其他的可以不接。第三章子模塊仿真圖3.1鍵盤掃描模塊仿真圖3.2防抖動(dòng)電路仿真圖3.3加減法電路仿真圖3.4數(shù)碼管電路仿真圖3.5總電路仿真波形圖第四章程序下載4.1程序下載首先啟動(dòng)軟件quartusII，打開工程，配置引腳，按照配置好的引腳在試驗(yàn)箱上接線，然后下載。程序下載后，按對(duì)應(yīng)的按鍵將會(huì)有與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字(0-7)顯示在數(shù)碼管上，當(dāng)按下數(shù)字鍵并顯示后，再按功能鍵“清0”對(duì)應(yīng)的輸入將會(huì)被清除，同時(shí)數(shù)碼管顯示0；當(dāng)按下功能鍵“+”或“-”后，繼續(xù)按數(shù)字鍵，最后按下“=”，計(jì)算結(jié)果將會(huì)以十進(jìn)制顯示在數(shù)碼管上，該模塊中為使數(shù)碼管掃描顯示穩(wěn)定，時(shí)鐘脈沖可選擇300—600左右即可。4.2出現(xiàn)的問題及解決方法在本次課程設(shè)計(jì)中，下載到試驗(yàn)箱后，出現(xiàn)按鍵多次跳動(dòng)問題，是由于矩陣鍵盤的使用過程中沒有消抖的原因。在程序中添加一個(gè)防抖動(dòng)程序即可防止類似情況的發(fā)生。時(shí)鐘頻率的選擇，由于本次課程設(shè)計(jì)只采用了一個(gè)時(shí)鐘脈沖，所以在選擇時(shí)鐘脈沖時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮數(shù)碼管掃描的情況。在做加減法操作時(shí)，無法顯示正確的結(jié)果，是由于程序中的各種邏輯關(guān)系出現(xiàn)問題。第五章心得體會(huì)在這次EDA課程設(shè)計(jì)中，學(xué)到很多東西，不僅鞏固了以前所學(xué)過的基礎(chǔ)知識(shí)，而且對(duì)EDA硬件實(shí)驗(yàn)有了進(jìn)一步的了解。在這次課程設(shè)計(jì)中，通過對(duì)鍵盤控制電路的設(shè)計(jì)，使我了解鍵盤設(shè)計(jì)的基本方法，學(xué)到更多有關(guān)于電路方面的知識(shí)，把我們所學(xué)的數(shù)字電路這門課程應(yīng)用到實(shí)際過程中來了，真正的將理論和實(shí)踐聯(lián)系在一起。更重要的是學(xué)到了用電腦軟件實(shí)現(xiàn)電路原理的知識(shí)，用電腦的仿真方法使得設(shè)計(jì)更為簡便，對(duì)于我們電子專業(yè)來說，這個(gè)課程設(shè)計(jì)是很有必要的。也提高了我們對(duì)實(shí)踐操作和理論研究的興趣。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有兩者相結(jié)合，才能提高自己的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力，才能發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中所遇到的問題。同時(shí)也在實(shí)踐與理論相結(jié)合的過程中，發(fā)現(xiàn)自身的不足之處，并加以學(xué)習(xí)和鞏固?？偟膩碚f，這次課程設(shè)計(jì)還是比較成功的，雖然遇到了很多問題，最后還是在老師的指導(dǎo)下，一一解答完成，本次課程設(shè)計(jì)充分鍛煉了自己的能力，使自己對(duì)以后的路有了更加清除的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為明年的畢業(yè)設(shè)計(jì)做一定的準(zhǔn)備。最后，對(duì)在本次課程設(shè)計(jì)中給過我?guī)椭年惱蠋煴硎靖兄x。附錄A：系統(tǒng)硬件原理圖附錄B：程序清單鍵盤行掃描輸入程序libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entityscan_keyis Port(clkin:inSTD_LOGIC; --掃描時(shí)鐘，周期20mskeydrv:outSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0));--輸出掃描信號(hào)endscan_key;architecturebehavioralofscan_keyissignalcount:std_logic_vector(1downto0):="00";--計(jì)數(shù)器信號(hào)begin process(clkin) begin ifrising_edge(clkin)then ifcount="11"then count<="00"; else count<=count+1; endif; endif; endprocess; process(count) begin casecountis when"00"=>keydrv<="1110"; when"01"=>keydrv<="1101"; when"10"=>keydrv<="1011"; when"11"=>keydrv<="0111"; whenothers=>keydrv<="0000"; endcase; endprocess;endbehavioral;鍵盤編碼程序libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entitykeydecoderisPort(clkin:instd_logic; keyin:inSTD_LOGIC_VECTOR(2downto0);keydrv:inSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0); 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endprocess;keycode<=keyvalue1;endrtl;鍵盤消抖程序libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entityAntiwitterisPort(clkin:inSTD_LOGIC;keyvaluein:inSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);keyvalueout:outSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0));endAntiwitter;architectureBehavioralofAntiwitterissignalTempNum:std_logic_vector(3downto0);signalCounter:std_logic_vector(3downto0);signalStart:std_logic;begin process(clkin) begin ifrising_edge(clkin)then ifStart='0'then TempNum<="1111"; keyvalueout<="1111"; Start<='1'; elseifkeyvaluein/=TempNumthen TempNum<=Keyvaluein; Counter<="0000"; elseifCounter="1111"then keyvalueout<=keyvaluein; Counter<="0000"; else Counter<=Counter+1; endif; endif; endif; endif; endprocess;endBehavioral;加減功能模塊程序libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entityconvertisPort(CLK:inSTD_LOGIC;disvaluein:inSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);disvalueout0:outSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);disvalueout1:outSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0));endconvert;architecturebenofconvertissignalA:std_logic_vector(3downto0):="0000";signalB0:std_logic_vector(4downto0):="00000";signalB1:std_logic_vector(4downto0):="00000";signalX:std_logic_vector(4downto0):="00000";begin process(CLK) variableflag:std_logic_vector(3downto0); begin IFCLK'EVENTANDCLK='1'THEN casedisvalueinis when"1000"=>X<="00000"; when"1001"=>B0<='0'&A;--"-" flag:="1001"; when"1010"=>B0<='0'&A;--"+" flag:="1010"; when"1011"=>B1<='0'&A; ifflag="1010"thenX<=B0+B1; else X<=B0-B1; endif; whenothers=>X<='0'&disvaluein; A<=disvaluein; endcase; ENDIF; endprocess;process(X)variablevalu:std_logic_vector(3downto0);begin valu:=X(3)&X(2)&X(1)&X(0); CASEX(4)IS WHEN'1'=>ifvalu>"1001"thendisvalueout0<="0110"+valu; disvalueout1<="0000"; elsedisvalueout0<=valu; disvalueout1<="0001"; endif; WHEN'0'=>ifvalu>"1001"thendisvalueout0<="0110"+valu; disvalueout1<="0001"; else disvalueout0<=valu; disvalueout1<="0000"; endif; WHENOTHERS=>null; ENDCASE;endprocess;endben;數(shù)碼管顯示程序LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYscan_ledISPORT(CLK:INSTD_LOGIC; d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7:instd_logic_vector(3downto0); SG:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);--段控制信號(hào)輸出 BT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0));--位控制信號(hào)輸出ENDscan_led;ARCHITECTUREoneOFscan_ledISSIGNALCNT8:STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);SIGNALA:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINP1:PROCESS(CNT8,d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7) BEGINCASECNT8ISWHEN"000"=>BT<="00000001";A<=d0;WHEN"001"=>BT<="00000010";A<=d1;WHEN"010"=>BT<="00000100";A<=d2;WHEN"011"=>BT<="00001000";A<=d3;WHEN"100"=>BT<="00010000";A<=d4;WHEN"101"=>BT<="00100000";A<=d5;WHEN"110"=>BT<="01000000";A<=d6;WHEN"111"=>BT<="10000000";A<=d7;WHENOTHERS=>NULL;ENDCASE;ENDPROCESSP1;P2:PROCESS(CLK) BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENCNT8<=CNT8+1;ENDIF; ENDPROCESSP2;P3:PRO