基于FPGA的倒计时系统的设计.doc

基于FPGA的倒计时系统的设计 1、引言: VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成电路硬件描述语言）诞生于1982年，是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具，目前已经成为IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers）的一种工业标准硬件描述语言。相比传统的电路系统的设计方法，VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下（Top to Down）和基于库（LibraryBased）的设计的特点，因此设计者可以不必了解硬件结构。从系统设计入手，在顶层进行系统方框图的划分和结构设计，在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的FPGA器件中去，从而实现可编程的专用集成电路（ASIC）的设计。 倒计时系统是一个常用的电路系统,如香港回归倒计时,评估倒计时,篮球比赛中24秒进攻倒计时等等。倒计时系统的实现也有许多的方法,如用单片机控制，用FPGA编程等。.用VHDL语言设计可以使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。本文就是用VHDL语言设计一个用于篮球比赛的24秒倒计时器。 2、关键词: VHDL,波形仿真,倒计时系统. 3、倒计时系统的工作原理: 在NBA比赛中有一个24秒进攻规则，即从获取球权到投篮击中篮板、篮框、命中或投篮被侵犯，其有效时间合计不能超过24秒，否则被判违例，将失去球权.在此过程中，设置24秒、暂停倒计时或者中途终止24秒(即球权归对方)均由裁判控制。本文就是用VHDL语言设计一个用于篮球比赛的24秒倒计时器，并且设置了24秒预设键K1、倒计时启动键K2和倒计时暂停键K3，并将计时精度设置为0.1秒。各按键具体功能如下：K1键按下，LED灯显示24秒；K2键按下，倒计时；K3键按下，计时停止.并用数码管分别显示。 4、设计实现4.1系统方框图的划分和结构设计: 该系统可划分为以下几个模块： 脉冲发生器(10HZ)模块 、计数和状态控制模块、数码管显示模块。下面简要介绍一下各个模块的功能: (1)脉冲发生器(COUNT_T)：用于产生一个10HZ(0.1秒)的脉冲，来供计数模块计数使用.因为该倒计时系统的计时要精确到0.1秒，所以要有一个0.1秒脉冲发生器. (2)计数与状态控制模块(SEC_1):本模块有三个按键K1、K2和K3。当K1按下时，进入状态S2，计数器被置值为24秒；当K2按下时，进入状态S1，计数器开始倒计时；当K3按下时，进入状态S0，则停止计数。 (3)数码管显示模块(LED_2)：该模块用于把计数的值动态显示在数码管上。 系统的顶层电路如下所示： 4.2各模块的VHDL程序如下: (1) 脉冲发生器模块的程序:该程序输出clk_s为一个10HZ(即0.1秒)的脉冲。 scan_clk来选择led1、led2、led3、led4中的一个并赋给seg作为输出(见数码管显示模块(LED_2)的程序)。 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity count_t is port(clk:in std_logic; clk_s:out std_logic; scan_clk:out std_logic_vector(1 downto 0); end count_t; architecture behav of count_t is signal cnt2:std_logic_vector(8 downto 0):=000000000; signal cnt1:std_logic_vector(1 downto 0):=00; signal clk1:std_logic:=0; begin process(clk) begin if clk=1and clkevent then if cnt2=110010000then cnt2=000000000; clk1=not clk1; else cnt2=cnt2+1; cnt1=cnt1+1; end if; end if; end process; clk_s=clk1; scan_clk=cnt1; end behav;(2) 计数和状态控制模块的程序： clk_s 是输入0.1秒的时钟。K1、K2和K3是三个按钮，由裁判员控制，当K1按下时，进入状态S2，计数器被置值为24秒；当K2按下时，进入状态S1，计数器开始倒计时；当K3按下时，进入状态S0，则停止计数；l3、l2、l1是输出，分别等于cnt5、cnt4、cnt3,即24秒的十位、个位和小数位。程序如下： -sec_vhd library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity sec_1 is port(clk_s:in std_logic; k1:in std_logic; k2:in std_logic; k3:in std_logic; l1:out std_logic_vector(3 downto 0); l2:out std_logic_vector(3 downto 0); l3:out std_logic_vector(3 downto 0); end sec_1; architecture behav of sec_1 is type states is(s0,s1,s2); signal st:states:=s0; signal cnt3:std_logic_vector(3 downto 0):=0000; signal cnt4:std_logic_vector(3 downto 0):=0000; signal cnt5:std_logic_vector(3 downto 0):=0000; begin process(clk_s) begin if clk_s=1and clk_sevent then if k1=0and k2=0and k3=1then st=s0; end if; if k1=1and k2=0and k3=0 then st=s2; end if; if k1=0and k2=1and k3=0 then stNULL; when s1=if cnt5=0000 then if cnt4=0000 then if cnt3=0000 then st=s0; else cnt4=1001; cnt5=1001; cnt3=cnt3-1; end if; else cnt5=1001; cnt4=cnt4-1; end if; else cnt5cnt5=0000; cnt3=0010; cnt4NULL; end case; end if; l3=cnt5; l2=cnt4; l1=cnt3; end process; end behav; (3)数码管显示模块(LED_2)：clk是扫描时钟。用scan_clk来选择led1、led2、led3、led4中的一个并赋给seg作为输出。a是用于数码管的位码选择，a=1表示选中该数码管，被点亮;a=0则不被点亮。mie用于屏蔽其它不使用的数码管。程序如下： -led_2.vhd library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity led_2 is port(clk:in std_logic; scan_clk:in std_logic_vector(1 downto 0); l1:in std_logic_vector(3 downto 0); l2:in std_logic_vector(3 downto 0); l3:in std_logic_vector(3 downto 0); seg:out std_logic_vector(7 downto 0); a:out std_logic_vector(3 downto 0); mie:out std_logic_vector(3 downto 0); end entity led_2; architecture behav of led_2 is signal led1,led2,led3:std_logic_vector(7 downto 0); begin mieled1led1led1led1led1led1led1led1led1led1led2led2led2led2led2led2led2led2led2led2led3led3led3led3led3led3led3led3led3led3seg=led1; aseg=led2; aseg=led3; aseg=led3; aseg=11111111; a=0000; end case; end if; end process; end behav;4.3、系统的功能仿真: Altera公司推出的MAX+plus是一个高度集成化的可编程逻辑器件开发系统，可以开发Altera公司的MAX系列和FLEX系列的可编程器件。该系统的主要特点如下： (1) 支持多种设计输入方式.如:原理图、VHDL语言、AHDL语言、波形图等.同时还支持主流的第三方EDA工具,如:Synopsys、Model technology等。 (2) 提供完善的功能仿真,同时还提供精确的时间仿真。 (3) 该系统把设计输入、功能仿真、时间仿真、设计编译以及器件编程集成于统一的开发环境,从而更方便、更快捷。 (4) MAX+plus开发系统还具有编译快捷,设计实现优化的功能。 本程序利用MAX+plus进行排错编译,波形仿真,下载仿真.本文只对计数和状态控制模块进行了波形仿真,结果如下所示, 从仿真波形上看计数的结果是准确的。 5、结束语: 本文介绍了使用VHDL语言设计倒计时系统的方法，并用VHDL语言对各个模块进行了描述: 脉冲发生器(10HZ)模块 、计数和状态控制模块、数码管显示模块。最后把程序下载到FPGA中进行仿真.可把VHDL语言程序下载到FPGA中组成实际的电路,这样可以简化硬件的开发和制造过程，而且使硬件体积大大缩小，并提高了系统