小學(xué)期數(shù)字電壓表課程設(shè)計報告

東北石油大學(xué)課程設(shè)計課程課程硬件課程設(shè)計題目數(shù)字電壓表設(shè)計院系計算機與信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)班級計算機科學(xué)與技術(shù)10-6班學(xué)生姓名張萬陽學(xué)生學(xué)號指導(dǎo)教師梁吉勝2009年7月10日東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程硬件課程設(shè)計題目數(shù)字電壓表設(shè)計主要內(nèi)容、根本要求等一、主要內(nèi)容：利用EL教學(xué)實驗箱、微機和QuartusⅡ軟件系統(tǒng)，使用VHDL語言輸入方法設(shè)計數(shù)字鐘。可以利用層次設(shè)計方法和VHDL語言，完成硬件設(shè)計設(shè)計和仿真。最后在EL教學(xué)實驗箱中實現(xiàn)。二、根本要求：1、 A/D轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計，負責對ADC0809的控制。2、 編碼轉(zhuǎn)換電路設(shè)計，負責把從ADC0809數(shù)據(jù)總線中讀出的電壓轉(zhuǎn)換成BCD碼。3、 輸出七段顯示電路的設(shè)計，負責將BCD碼用7段顯示器顯示出來。三、擴展要求1.當測量結(jié)束后，蜂鳴器鳴響10聲。按照標準寫出論文，要求字數(shù)在4000字以上，并進行辯論。論文內(nèi)容包括概述〔學(xué)習、調(diào)研、分析、設(shè)計的內(nèi)容摘要〕、EDA技術(shù)的現(xiàn)狀和開展趨勢、對EL教學(xué)實驗箱和QuartusⅡ軟件的掌握程度、數(shù)字鐘的設(shè)計過程〔包括原理圖或程序設(shè)計、編譯、仿真分析、硬件測試的全過程〕，論文中含有原理圖、程序、仿真波形圖及其分析報告。完成期限2周指導(dǎo)教師梁吉勝專業(yè)負責人富宇2012年6月10日東北石油大學(xué)課程設(shè)計成績評價表課程名稱硬件課程設(shè)計題目名稱數(shù)字電壓表設(shè)計學(xué)生姓名張萬陽學(xué)號指導(dǎo)教師姓名梁吉勝職稱講師序號評價工程指標〔優(yōu)秀〕總分值評分1選題難度選題難度較高，或者對原題目進行了相當程度的改良。102工作量、工作態(tài)度和出勤率工作量飽滿，工作努力，遵守紀律，出勤率高，工作作風嚴謹，善于與他人合作。103課程設(shè)計質(zhì)量按期圓滿的完成了規(guī)定的任務(wù)，方案設(shè)計合理，思考問題全面，系統(tǒng)功能完善。404報告質(zhì)量問題論述思路清晰，結(jié)構(gòu)嚴謹，文理通順，撰寫標準，圖表完備正確。305答復(fù)下列問題在進行課程設(shè)計程序系統(tǒng)檢查時，能正確答復(fù)指導(dǎo)教師所提出的問題。106創(chuàng)新〔加分項〕工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有改良或有應(yīng)用價值。在進行系統(tǒng)檢查時能對創(chuàng)新性進行說明，并在報告中有相應(yīng)的論述。+5總分評語：指導(dǎo)教師：年月日摘要本文介紹了利用EDA-V硬件系統(tǒng)和微機上的Quartus7.2-II等軟件系統(tǒng)。VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語言。自IEEE公布了VHDL的標準版本，IEEE-1076〔簡稱87版〕之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言。有專家認為，在新的世紀中，VHDL于Verilog語言將承當起大局部的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。本文設(shè)計主要利用VHDL語言在EDA平臺上設(shè)計一個數(shù)字電壓表，它的測量范圍是0.000〔v〕到4.981〔v〕，其中包括A/D轉(zhuǎn)換接口電路模塊，編碼轉(zhuǎn)換電路模塊，輸出七段顯示電路模塊，頂層程序。并且使用Quartus7.2-II軟件進行電路波形仿真，下載到EDA實驗箱進行驗證。關(guān)鍵詞：EDA〔電子設(shè)計自動化〕；VHDL〔硬件描述語言〕，數(shù)字電壓表。目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章概述1第2章數(shù)字電壓表的系統(tǒng)分析4第3章數(shù)字電壓表的底層設(shè)計555第4章數(shù)字鐘的頂層文件設(shè)計6結(jié)論14參考文獻15第1章概述1.1EDA的概念EDA是電子設(shè)計自動化〔ElectronicDesignAutomation〕的縮寫，在20世紀90年代初從計算機輔助設(shè)計〔CAD〕、計算機輔助制造〔CAM〕、計算機輔助測試〔CAT〕和計算機輔助工程〔CAE〕的概念開展而來的[1]。EDA代表了當今電子設(shè)計技術(shù)的最新開展方向，它的根本特征是：設(shè)計人員按照“自頂向下〞的設(shè)計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設(shè)計和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路〔ASIC〕實現(xiàn)，然后采用硬件描述語言〔HDL〕完成系統(tǒng)行為級設(shè)計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件，這樣的設(shè)計方法被稱為高層次的電子設(shè)計方法?，F(xiàn)在對EDA的概念或范疇用得很寬。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域，都有EDA的應(yīng)用。目前EDA技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。例如在飛機制造過程中，從設(shè)計、性能測試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到EDA技術(shù)。本文所指的EDA技術(shù)，主要針對電子電路設(shè)計、PCB設(shè)計和IC設(shè)計。EDA設(shè)計可分為系統(tǒng)級、電路級和物理實現(xiàn)級。本次畢業(yè)設(shè)計課題實現(xiàn)的核心技術(shù)即為EDA相關(guān)技術(shù)[2]。EDA技術(shù)及應(yīng)用電子設(shè)計技術(shù)的核心就是EDA技術(shù)，EDA是指以計算機為工作平臺，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包，主要能輔助進行三方面的設(shè)計工作，即IC設(shè)計、電子電路設(shè)計和PCB設(shè)計。EDA技術(shù)已有30年的開展歷程，大致可分為三個階段。70年代為計算機輔助設(shè)計〔CAD〕階段，人們開始用計算機輔助進行IC幅員編輯、PCB布局布線，取代了手工操作。80年代為計算機輔助工程〔CAE〕階段。與CAD相比，CAE除了有純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且通過電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，實現(xiàn)了工程設(shè)計。CAE的主要功能是：原理圖輸人，邏輯仿真，電路分析，自動布局布線，PCB后分析。90年代為電子系統(tǒng)設(shè)計自動化〔EDA〕階段[3]。EDA技術(shù)開展迅猛，逐漸在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)方面：幾乎所有理工科(特別是電子信息)類的高校都開設(shè)了EDA課程。主要是讓學(xué)生了解EDA的根本原理和根本概念、鱗握用佃L描述系統(tǒng)邏輯的方法、使用扔A工具進行電子電路課程的模擬仿真實驗并在作畢業(yè)設(shè)計時從事簡單電子系統(tǒng)的設(shè)計，為今后工作打下根底。具有代表性的是全國每兩年舉辦一次大學(xué)生電子設(shè)計競賽活動。在科研方面：主要利用電路仿真工具(EwB或PSPICE、VLOL等)進行電路設(shè)計與仿真；利用虛擬儀器進行產(chǎn)品調(diào)試；將O)LI)／FPGA器件的開發(fā)應(yīng)用到儀器設(shè)備中。例如在CDMA無線通信系統(tǒng)中，所有移動和無線基站都工作在相同的頻譜，為區(qū)別不同的呼叫，每個有一個唯一的碼序列，CDMA基站必須能判別這些不同觀點的碼序列才能分辨出不同的傳呼進程；這一判別是通過匹配濾波器的輸出顯示在輸人數(shù)據(jù)流中探調(diào)到特定的碼序列；FPGA能提供良好的濾波器設(shè)計，而且能完成DSP高級數(shù)據(jù)處理功能，因而FPGA在現(xiàn)代通信領(lǐng)域方面獲得廣泛應(yīng)用[4]。在產(chǎn)品設(shè)計與制造方面：從高性能的微處理器、數(shù)字信號處理器一直到彩電、音響和電子玩具電路等，EDA技術(shù)不單是應(yīng)用于前期的計算機模擬仿真、產(chǎn)品調(diào)試，而且也在批量制作、電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接等有重要作用?？梢哉f電子EDA技術(shù)已經(jīng)成為電子工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的技術(shù)支持。電子技術(shù)全方位納入EDA領(lǐng)域，EDA使得電子領(lǐng)域各學(xué)科的界限更加模糊，更加互為包容，突出表現(xiàn)在以下幾個方面：使電子設(shè)計成果以自主知識產(chǎn)權(quán)的方式得以明確表達和確認成為可能；基于EDA工具的ASIC設(shè)計標準單元已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及IP核模塊；軟硬件IP核在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、技術(shù)領(lǐng)域和設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域得到進一步確認；SoC高效低本錢設(shè)計技術(shù)的成熟。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛開展，電子系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計手段都發(fā)生了很大的變化?？梢哉f電子EDA技術(shù)是電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命。傳統(tǒng)的“固定功能集成塊十連線〞的設(shè)計方法正逐步地退出歷史舞臺，而基于芯片的設(shè)計方法正成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。作為高等院校有關(guān)專業(yè)的學(xué)生和廣闊的電子工程師了解和掌握這一先進技術(shù)是勢在必行，這不僅是提高設(shè)計效率的需要，更是時代開展的需求，只有攀握了EDA技術(shù)才有能力參與世界電子工業(yè)市場的競爭，才能生存與開展。隨著科技的進步，電子產(chǎn)品的更新日新月異，EDA技術(shù)作為電子產(chǎn)品開發(fā)研制的源動力，已成為現(xiàn)代電子設(shè)計的核心。所以開展EDA技術(shù)將是電子設(shè)計領(lǐng)域和電子產(chǎn)業(yè)界的一場重大的技術(shù)革命，同時也對電類課程的教學(xué)和科研提出了更深更高的要求。特別是EDA技術(shù)在我國尚未普及，掌握和普及這一全新的技術(shù)，將對我國電子技術(shù)的開展具有深遠的意義。1.2EDA的工作平臺1.2.1EDA硬件工作平臺1.計算機。2.EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)：EDA-V。1.2.2EDA的軟件工作平臺PLD〔ProgrammableLogicDevice〕是一種由用戶根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。目前主要有兩大類型：CPLD(ComplexPLD)和FPGA(FieldProgrammableGateArray)。它們的根本設(shè)計方法是借助于EDA軟件，用原理圖、狀態(tài)機、布爾表達式、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標文件，最后用編程器或下載電纜，由目標器件實現(xiàn)。生產(chǎn)PLD的廠家很多，但最有代表性的PLD廠家為Altera、Xilinx和Lattice公司。第2章數(shù)字電壓表的系統(tǒng)分析2.1設(shè)計目的1.掌握多位計數(shù)器相連的設(shè)計方法。2.繼續(xù)穩(wěn)固多位共陰極掃描顯示數(shù)碼管的驅(qū)動，及編碼。3.LED燈的把戲顯示。4.掌握CPLD技術(shù)的層次化設(shè)計方法。2.2功能說明1.A/D轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計，負責對ADC0809的控制。2.編碼轉(zhuǎn)換電路設(shè)計，負責把從ADC0809數(shù)據(jù)總線中讀出的電壓轉(zhuǎn)換成BCD碼。3.輸出七段顯示電路的設(shè)計，負責將BCD碼用7段顯示器顯示出來。2.3實驗原理在同一EPLD芯片EPF10K10上集成了如下電路模塊：1．A/D轉(zhuǎn)換接口電路模塊2．編碼轉(zhuǎn)換電路模塊3．輸出七段顯示電路模塊4.頂層程序，將上述三個原件進行綜合。2.4系統(tǒng)硬件1．主芯片EPF10K10LC84-4。2．8個LED燈。3．8位八段掃描共陰級數(shù)碼顯示管。4.ADC0809芯片。第3章數(shù)字電壓表的底層設(shè)計3.1設(shè)計規(guī)劃該數(shù)字電壓表可以實現(xiàn)測量電壓的功能。A/D轉(zhuǎn)換接口電路模塊:負責對ADC0809的控制。編碼轉(zhuǎn)換電路模塊：負責把從ADC0809數(shù)據(jù)總線中讀出的電壓轉(zhuǎn)換成BCD碼。輸出七段顯示電路模塊：負責將BCD碼用7段顯示器顯示出來。3.2設(shè)計說明1.產(chǎn)生控制信號：對于ADC0809芯片的各種介紹請參閱其數(shù)據(jù)手冊?！?〕狀態(tài)S0：CS=1、WR=1、RD=0〔由控制器發(fā)出信號要求ADC0809開始進行模/數(shù)信號的轉(zhuǎn)換〕。〔2〕狀態(tài)S1：CS=0、WR=0、RD=0〔ADC0809進行轉(zhuǎn)換動作，轉(zhuǎn)換完畢后INT將低電位升至高電位〕?！?〕狀態(tài)S2：CS=1、WR=0、RD=1〔由控制器發(fā)出信號以讀取ADC0809的轉(zhuǎn)換資料〕。〔4〕狀態(tài)S3：CS=0、WR=0、RD=0〔由控制器讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)字轉(zhuǎn)換資料〕。由上述的四個狀態(tài)可以歸納出整個控制器的動作功能有：〔1〕負責在每個步驟送出所需的CS、WR、RD控制信號?！?〕在狀態(tài)S1時，監(jiān)控INT信號是否由低變高，如此以便了解轉(zhuǎn)換動作結(jié)束與否。〔3〕在狀態(tài)S3，讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)字資料。計算轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號，最終以BCD碼表示。通過輸出七段顯示電路模塊，將BCD碼用7段數(shù)碼管來顯示出來，以測量出電壓的值。第4章數(shù)字鐘的頂層文件設(shè)計4.1設(shè)計說明建立數(shù)字鐘的頂層文件就是將已經(jīng)設(shè)計好的各個功能組件組合調(diào)用，連成一個整體，使整個系統(tǒng)按照設(shè)計要求在實際中工作起來。4.2設(shè)計思想4.2.1A/D轉(zhuǎn)換接口電路模塊當CS和WR同時為高電平時，ADC0809開始轉(zhuǎn)換，當轉(zhuǎn)換完成后，在INT腳輸出高電平，等待讀數(shù)據(jù)；當CS和RD同時為電平時，通過數(shù)據(jù)總線D[7..0]從ADC0809是讀出數(shù)據(jù)?！?〕狀態(tài)S0：CS=1、WR=1、RD=0〔由控制器發(fā)出信號要求ADC0809開始進行模/數(shù)信號的轉(zhuǎn)換〕?！?〕狀態(tài)S1：CS=0、WR=0、RD=0〔ADC0809進行轉(zhuǎn)換動作，轉(zhuǎn)換完畢后INT將低電位升至高電位〕。〔3〕狀態(tài)S2：CS=1、WR=0、RD=1〔由控制器發(fā)出信號以讀取ADC0809的轉(zhuǎn)換資料〕?！?〕狀態(tài)S3：CS=0、WR=0、RD=0〔由控制器讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)字轉(zhuǎn)換資料〕。由上述的四個狀態(tài)可以歸納出整個控制器的動作功能有：〔1〕負責在每個步驟送出所需的CS、WR、RD控制信號?！?〕在狀態(tài)S1時，監(jiān)控INT信號是否由低變高，如此以便了解轉(zhuǎn)換動作結(jié)束與否。〔3〕在狀態(tài)S3，讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)字資料。編碼轉(zhuǎn)換電路模塊計算轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號，最終以BCD碼表示，當參考電壓〔Vref〕為2.56V時，模擬輸入電壓與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系如表3-3所示。這樣由ADC0809收到的信號是01110110〔76H〕，那么對照表3-3時，高4位0111的電壓為2.24V，而低4位0110是0.12V，所以最后的電壓輸出結(jié)果為2.24+0.12=2.36V。表3-3模擬輸入電壓與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系進制參考電壓162高4位電壓低4位電壓000000.000.00100010.320.02200100.640.04300110.960.06401001.280.08501011.600.10601101.920.12701112.240.14810002.560.16910012.880.18A10103.200.20B10113.520.22C11003.840.24D11014.160.26E11104.480.28F11114.800.30輸出七段顯示電路模塊將編碼轉(zhuǎn)換電路模塊，發(fā)來的BCD碼，顯示在數(shù)碼管上。4.3頂層文件程序代碼如下：libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entityvoltmeterisport(D:instd_logic_vector(7downto0);CLK,INT,RESET:instd_logic;CS,RD,WR:outstd_logic;DATOUT:outstd_logic_vector(11downto0));endvoltmeter;architecturedoitofvoltmeterissignaldatain:std_logic_vector(7downto0);signaldata1,data2:std_logic_vector(15downto0);signaldout1,dout2,dout3,dout4:std_logic_vector(11downto0);signaldo1,do2,do3,do4,c1,c2,c3,doo1,doo2,doo3,doo4:std_logic_vector(4downto0);typestatetypeis(idle,write,swait,read,disp1,disp2,disp3,disp4);Signalpresent_state,next_state:statetype;Begin--〔以下為A/D轉(zhuǎn)換接口電路模塊〕P1:process(present_state,next_state,INT)begincasepresent_stateiswhenidle=>CS<='1';WR<='0';RD<='0';next_state<=write;whenwrite=>CS<='1';WR<='1';RD<='0';next_state<=swait;whenswait=>CS<='0';WR<='0';RD<='0';if(INT='1')thennext_state<=read;elsenext_state<=swait;endif;whenread=>CS<='1';WR<='0';RD<='1';next_state<=disp1;whendisp1=>CS<='0';WR<='0';RD<='0';DATOUT<=dout1;next_state<=disp2;whendisp2=>CS<='0';WR<='0';RD<='0';DATOUT<=dout2;next_state<=disp3;whendisp3=>CS<='0';WR<='0';RD<='0';DATOUT<=dout3;next_state<=disp4;whendisp4=>CS<='0';WR<='0';RD<='0';DATOUT<=dout4;next_state<=idle;endcase;ndprocessP1;--〔以下為編碼轉(zhuǎn)換電路模塊〕P2:process(CLK,RESET)beginif(RESET='0')thenpresent_state<=idle;datain<="00000000";elsif(CLK'eventandCLK='1')thenpresent_state<=next_state;if(present_state=read)thendatain<=D;endif;endif;endprocessP2;data1<="0000000000000000"whendatain(7downto4)="0000"else"0000001100010011"whendatain(7downto4)="0001"elsewhendatain(7downto4)="0010"elsewhendatain(7downto4)="0011"elsewhendatain(7downto4)="0100"elsewhendatain(7downto4)="0101"elsewhendatain(7downto4)="0110"elsewhendatain(7downto4)="0111"elsewhendatain(7downto4)="1000"elsewhendatain(7downto4)="1001"elsewhendatain(7downto4)="1010"elsewhendatain(7downto4)="1011"elsewhendatain(7downto4)="1100"elsewhendatain(7downto4)="1101"elsewhendatain(7downto4)="1110"elsewhendatain(7downto4)="1111"else"0000000000000000";data2<="0000000000000000"whendatain(3downto0)="0000"else"0000000000100000"whendatain(3downto0)="0001"else"0000000000111001"whendatain(3downto0)="0010"else"0000000001011001"whendatain(3downto0)="0011"else"0000000001111000"whendatain(3downto0)="0100"else"0000000010011000"whendatain(3downto0)="0101"else"0000000100010111"whendatain(3downto0)="0110"else"0000000100110111"whendatain(3downto0)="0111"else"0000000101010110"whendatain(3downto0)="1000"else"0000000101110110"whendatain(3downto0)="1001"else"0000000110010101"whendatain(3downto0)="1010"else"0000001000010101"whendatain(3downto0)="1011"else"0000001000110100"whendatain(3downto0)="1100"else"0000001001010100"whend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