硬件描述语言课程设计指导书.doc

硬件描述语言 实验指导书V1.0南通大学电子信息学院 2012 年 6 月一、 课程设计目的、要求1.通过本次课程设计，增强工程实践能力和创新能力，提高数字系统设计水平。2.完成课程设计，包括设计仿真与验证。本课题总共29道题，每个班级中每个题目限一名同学选择。首先，根据所选课题和Altera DE2开发板资源进行方案设计。然后运用EDA软件对方案进行程序设计、仿真分析。3.撰写总结报告。 报告内容包括以下内容：1）概述2）功能 给出系统的设计功能以及性能参数。3）设计方案 说明本设计的技术方案、工作原理，给出设计框图、软件流程图、状态转换图等。 4）设计与仿真 给出每个模块以及顶层模块的设计框图、状态转换图、软件流程图或VerilogHDL源程序等，并作一定的说明。给出仿真结果，并对系统功能、性能、资源消耗情况作出分析。5）硬件验证 将设计文件下载到DE2开发板进行硬件验证，完成检测和调试，对结果进行说明或分析。6）结束语7）参考文献8）附录将各种篇幅较大的图纸、数据表格、源程序等材料附于技术报告后。二、课程设计日程安排日 期内 容06.181.布置任务，课题论述2.设计实例演示3.学生选题06.19确定设计方案06.20-06.281. 完成设计与仿真2. 硬件验证、调试和验收3. 完成设计报告06.29答辩三、设计课题1、 简易函数发生器1基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、正弦波信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。正弦波信号幅度可调。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。2、 简易函数发生器2基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、三角波信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。三角波信号频率、幅度可调。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。3、 简易函数发生器3基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、锯齿波信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。锯齿波信号频率、幅度可调。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。4、 简易函数发生器4基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、梯形信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。梯形波信号频率、幅度可调。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。5、 简易函数发生器5基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、阶梯信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。阶梯波信号频率、幅度可调。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。6、 串行通信发送接口功能：通过DE2的拨码开关来选择要发送的数据，当DE2上的某一个独立按键被按下的时候，数据会通过RS232串口发送到PC。基本要求：掌握串口通信协议，完成串口数据的发送功能硬件验证要求：在PC机通过“串行通信接口调试助手”软件接收由DE2发送过来的数据。在完成基本要求的基础上，可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。7、 串行通信接收接口（LED）基本要求：掌握RS232串口的协议，运用DE2的串口进行接收PC的数据。波特率为9600,8位数据位，无奇偶校验，一个停止位。 硬件验证要求：在PC机通过“串行通信调试助手”软件发送数据，DE2通过串口接收数据，完成接收数据后在LED上面进行显示。在完成基本要求的基础上，可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。8、 串行通信接收接口（数码管）基本要求：掌握RS232串口的协议，运用DE2的串口进行接收PC的数据。波特率为9600,8位数据位，无奇偶校验，一个停止位。 硬件验证要求：在PC机通过“串行通信调试助手”软件发送数据，DE2通过串口接收数据，完成接收数据后在数码管上面进行显示。在完成基本要求的基础上，可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。9、 数字时钟设计基本要求：能够正确显示时、分、秒，并有校时、半点报时和整点报时功能。要求能在数码管上面正确显示。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加闹铃功能。10、 秒表设计基本要求：最大为1小时，精度要求为0.01秒，具有开始、暂停和清零功能，要求能在数码管上面正确显示。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。11、 定时器设计基本要求：最大为1小时，精度要求为0.01秒，当倒计时间为0的时候能够报警，要求能在数码管上面正确显示。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。12、 交通灯设计基本要求：1）设计一个交通红绿灯。要求分主干道和支干道，每条道上安装红（主：R,支：r）绿（主：G，支：g）黄（主：Y，支：y）三种颜色灯，由四种状态自动循环构成; 2）在交通灯处在不同的状态时，设计一个计时器以倒计时方式显示计时，主干道上绿灯亮30S，支干道上绿灯亮20S。每个干道上，在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5S。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如绿灯亮的时间可调。13、 密码锁设计基本要求：设计一个电子密码锁。操作方式：在锁开的状态下输入密码，设置的密码共4位，用拨码开关SW1SW10分别代表数字1，2，9，0，输入的密码用数码管显示，最后输入的密码显示在最右边的数码管上，即每输入一位数，密码在数码管上的显示左移一位。可删除输入的数字，删除的是最后输入的数字，每删除一位，密码在数码管上的显示右移一位，并在左边空出的位上灭掉。用一位输出电平的状态代表锁的开闭状态。也可自行规定操作方式。为保证密码锁主人能打开密码锁，设置一个万能密码，在主人忘记密码时使用。14、 数字温度传感器的控制设计基本要求：掌握SHT-11传感器的工作原理，实现FPGA对SHT-11芯片的控制，要求能够将读进来的温度数值在数码管上面显示。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加湿度控制和显示功能。15、 频率计设计主要内容：设计一个数字显示的频率计主要任务：1）频率计采用三位数码管显示。2）频率测量围为1Hz999Hz，并有溢出指示。3）频率计设有1999Hz和110kHz两个量程，并用LED指示。4）频率计能够根据测试信号的频率进行量程自动切换。当频率小于1kHz时，系统选择1s的闸门时间，当频率大于等于1kHz时，在下一次测量时，选择0.1s的闸门时间。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。16、 BCD码计数器的设计基本要求：设计一个4位BCD码，具有置数和复位功能，并可以根据外部的拨码开关来选择加1计数还是减1计数，要求能在数码管上面正确显示。在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。17、 超声波测距设计基本要求：给定超声波发射接收模块，通过DE2产生频率为40KHZ的超声波脉冲信号(脉宽为250-500us)送至超声波发射模块。将超声波接收模块数出的回波脉冲信号送至DE2，经处理后在3位数码管上面显示距离（单位为cm）。18、 数码管亮度控制器的设计基本要求：设计一个数码管亮度控制器，能够根据外部的拨码开关来控制数码管的亮暗程度。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如可以在LCD上面显示亮暗的程度。19、 跑马灯控制器的设计基本要求：设计一个跑马灯控制器，能够根据外部的拨码开关来控制速度。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。20、 直流电机调速控制器的设计基本要求：设计一个直流电机调速控制器，能够根据外部的拨码开关来控制直流电机的速度。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如可以将速度显示在数码管上面。21、 进制转换电路设计基本要求：对输入的4位二进制数据，能够根据外部的拨码开关来选择10进制转换、8进制转换还是16进制转换。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加输入的位数。22、 可控分频器的设计基本要求：对DE2上的时钟信号进行多种分频，分频系数由外部按键来选择，分频后的结果要在数码管上面正确显示。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加移相功能。23、 8位的ALU设计基本要求：设计一个挂在总线上的8位ALU，具有加、减、与、或等功能，要求对运算后的数据能在数码管上面正确显示。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加乘法功能。24、 序列检测器设计基本要求：设计一个序列检测器，当输入完数据01011010的时候，DE2开发板的LED灯将会点亮，其他的情况都是灭掉。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如尝试改变序列检测器的设计方法。25、 抢答器 基本要求：设计一个四组抢答器，使用DE2上的拨码开关 ，开始抢答后，先抢答到的组通过数码管显示组名，如果提前抢答具有报警的功能。 在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如对抢答器实现加减分的功能。26、 微型打印机接口设计1 基本要求：微型打印机拥有一个RS232输入接口。通过DE2驱动打印机，使其能够通过拨码开关输入ASCII码，使打印机打印相应的字符。 27、 微型打印机接口设计2 基本要求：微型打印机拥有一个RS232输入接口。通过DE2驱动打印机，使其能够输出一行预先设置的中文字符。 28、 微型打印机接口设计3 基本要求：微型打印机拥有一个RS232输入接口。通过DE2驱动打印机，使其能够输出一行预先设置的英文字符。 29、 简易电子琴设计 基本要求：设计一个有18个按键的电子琴。 四、设计示例【实验例程1】实验说明：按照拨码开关点亮DE2上面的两个数码管，代码见附件。1建立工程并完成硬件的描述设计打开quartus7.2的工作环境,如下所示： 2.新建工程，点击File-New project Wizard 新建一个工程文件。 接着弹出如下界面，接着点击NEXT 3.输入工程工作路径、工程文件名以及顶层实体名字。 4.点击NEXT之后弹出如下界面，这里是提示添加已经写好的程序。5.选择所用到的器件。 6.设置EDA相应的工具，quartus一集成开发环境，为此我们可以跳过这一设置，如果使用第三方的综合工具和仿真工具，可以在此设置，当然还需要指明第三方工具的路径。7.点击NEXT之后查看整个设置工程的总结。 点击FINISH完成新建工程。8.新建.V文件 点击菜单选项File-New,选择Verilog HDL File,点击OK，建立Verilog 源代码文件。9.输入源代码 module SW_SEG(SW,HEX1,HEX0); input 7:0SW; output reg6:0HEX1,HEX0; parameterseg0= 7b1000000, seg1= 7b1111001, seg2= 7b0100100, seg3= 7b0110000, seg4= 7b0011001, seg5= 7b0010010, seg6= 7b0000010, seg7= 7b1111000, seg8= 7b0000000, seg9= 7b0010000, sega= 7b0001000, segb= 7b0000011, segc= 7b1000110, segd= 7b0100001, sege= 7b0000110, segf= 7b0001110; always (*) case(SW3:0) 4h0: HEX06:0 = seg0; 4h1: HEX06:0 = seg1; 4h2: HEX06:0 = seg2; 4h3: HEX06:0 = seg3; 4h4: HEX06:0 = seg4; 4h5: HEX06:0 = seg5; 4h6: HEX06:0 = seg6; 4h7: HEX06:0 = seg7; 4h8: HEX06:0 = seg8; 4h9: HEX06:0 = seg9; 4ha: HEX06:0 = sega; 4hb: HEX06:0 = segb; 4hc: HEX06:0 = segc; 4hd: HEX06:0 = segd; 4he: HEX06:0 = sege; 4hf: HEX06:0 = segf; default:HEX06:0 = seg0; endcase always (*) case(SW7:4) 4h0: HEX16:0 = seg0; 4h1: HEX16:0 = seg1; 4h2: HEX16:0 = seg2; 4h3: HEX16:0 = seg3; 4h4: HEX16:0 = seg4; 4h5: HEX16:0 = seg5; 4h6: HEX16:0 = seg6; 4h7: HEX16:0 = seg7; 4h8: HEX16:0 = seg8; 4h9: HEX16:0 = seg9; 4ha: HEX16:0 = sega; 4hb: HEX16:0 = segb; 4hc: HEX16:0 = segc; 4hd: HEX16:0 = segd; 4he: HEX16:0 = sege; 4hf: HEX16:0 = segf; default:HEX16:0 = seg0; endcase endmodule10保存设计，文件的名字一定要与当前待保存的模块名字一致。11.点击按钮Start Compilation. 如果有错误需要修改后重新这一过程。12.建立波形仿真文件 点击菜单选项File-New-Others File,选择Vector Waveform File,点击OK， 13.波形仿真 在空波形文件中点击右键，或者直接双击。点击Node Finder选择PINS:ALL然后点击list添加需要的节点 点击OK完成选择16进制显示方式，点击OK完成添加测试信号的驱动SW置入数据保存波形文件点击波形仿真按钮分析结果当输入的数据位00的时候两个数码管都是40，也就是显示的数据都是00。14下载 仿真完成后，确认功能正确后，即可进行引脚分配，根据提供的用户手册，进行引脚分配。 输入对应的引脚 点击保存，然后重新编译。如果编译没有错误，准备下载。 由Tools - Progammer硬件设置:Currently selected hardware:usb 设置Mo