实验四 数字秒表设计.ppt

1 本部分实验内容为新内容 操作步骤较多 为保证实验项目进行完毕 请同学们务必提前做好预习准备 通过本次实验 引导学生以硬件描述语言的手段设计数字逻辑电路 掌握在QuartusII软件下VHDL语言输入的设计流程 理解数字秒表的工作原理 学会在QuartusII下通过VHDL语言描述数字秒表的设计方法 掌握可编程逻辑器件 PLD 的基本开发流程 2 一 实验目的 二 实验设备 计算机 可编程逻辑器件实验板 可编程逻辑器件 ProgrammableLogicDevices 发展于20世纪70年代 属半定制集成电路 使用PLD器件 借助EDA设计方法 可以方便 快速地构建数字系统 任何组合逻辑电路都可以用 与门 或门 二级电路实现 任何时序逻辑电路都可以由组合逻辑电路加上存储元件 触发器 锁存器构成 人们由此提出乘积项可编程电路结构 原理结构如下 3 三 PLD器件简述 可编程逻辑器件选用Altera公司新一代FPGA器件 CycloneII系列的EP2C35F484C8 开发板通过USBBlaster将PC机USB接口与核心板JTAG接口相连 下载目标文件 4 实验设备 FPGA开发板简介 5 电源指示灯 电源开关 独立按键 按下为低电平 弹起为高电平 LED指示部分 FPGA开发板结构简介 JTAG下载接口 共阴数码管显示部分 要求 用VHDL语言设计数字秒表 计时单位 1秒 即每秒计时1次 计时范围 0 9秒 显示方式 使用FPGA开发板上的数码管进行显示 用逻辑电路控制任意数码管 在脉冲信号CP的作用下 显示计秒数值 6 四 数字秒表的要求 CP由实验板上的50MHz有源晶振产生 从PLD器件的专用时钟引脚L1输入到器件内部 在QuartusII下进行引脚锁定 为计数器提供时钟信号 由于实验板上所带的连续脉冲CP的频率为50MHz 因此 需要为秒表的计数器设计分频器 将50MHz的连续脉冲分频 得到秒脉冲 再由秒脉冲作为秒表计数器的计数时钟 本质上就是用VHDL语言描述模值为50 000 000的计数器 7 1 分频器设计 用VHDL语言描述 四 实验任务 0 9秒表实际上就是一个10进制计数器 方法1 采用VHDL分别描述10进制计数器 当计数值为9时 若再来一个时钟脉冲 计数器回到初值0重新计数 8 2 计数器设计 用VHDL语言描述 计数器产生的BCD数 若要采用数码管显示 还需要设计4 7线译码器 实验板上带有2个4联共阴数码管 共8位 其公共端低电平有效 通过一片74LS138进行位选控制 9 3 4 7线译码器设计 用VHDL语言描述 1 可采用多进程描述的方法 分频器为一个进程 计数器写入另一个进程 将分频器进程中的秒脉冲输出定义为signal 作为计数器进程的敏感信号 驱动计数器进行计数 2 可采用原理图符号化连接的方法 将分频器和计数器所生成的元件符号在原理图中进行连接 完成顶层次设计 10 4 各模块的接口 50MHz 1Hz 此处的秒表计数器就是10进制计数器 秒脉冲分频器的VHDL描述 秒表计数器及 线译码器的VHDL描述 1 通过QuartusII建立一个新项目 2 建立项目时选CycloneII系列 family 的目标器件 devices EP2C35F484C83 新建VHDL设计文件 编写VHDL程序 设计分频器 计数器及译码器 并编译通过 4 对设计进行引脚锁定 再次编译 5 连接实验板下载线 将编译所生成的 sof目标文件下载到FPGA芯片中 6 观察运行结果 如不正确 检查设计 调整后重新编译后再次下载后观察 直至结果正确 14 五 实验步骤 建立工程 根据前面的示例编写 程序 确认无错后执行全程编译 建立波形仿真文件 进行时序仿真 观察仿真结果 15 建立工程并编写 程序 引脚锁定以实际的实验系统选用的芯片为准引脚锁定方法 在菜单下依次选择Assignments Pin双击编辑窗口对应引脚的Location 根据端口名选择引脚号 2 引脚锁定 16 现在将秒表的8个译码输出端所需引脚锁定到实验板对应的数码管段码端上 1 2 4联共阴数码管的8个公共发光段与FPGA器件引脚的连接 2 数字秒表的脉冲CP通过核心板板上的50MHz连续脉冲分频得到 锁定到Pin L1 3 2 4联数码管位选端低电平有效 通过74HC138选择其锁定关系为 此处可以不锁定 默认最低位点亮 SEL2 Pin F4 SEL1 Pin F3 SEL0 Pin M5 17 双击 Location 下方的表格框 弹出指定器件的引脚列表 选择用户自定义的引脚 这么多 选哪个呢 18 3 再次执行全程编译 必要步骤 19 下载器第一次连接到PC机 会弹出硬件安装向导 按下述操作完成下载器安装 启动下载 单击Tools Programmer 即启动下载界面在下载界面选择单击HardwareSetup按钮选择下载器 在弹出菜单中双击选择USB Blaster 再单击close 20 5 下载 编程下载 在配置文件 sof或 pof 信息窗口处 屏幕右下大半区域 勾选program configure 然后单击start按钮 即开始配置 编程 21 22 正在下载程序 当下载窗口右上角progress显示出100 表示下载成功 观察LED的显示效果是否达到设计要求 若编程器自身有故障或者未正确连接 则不能编程 配置 底部的信息栏会有红色字体的信息提示 这时需要检查编程器的连接 解决方法 将下载线与PC机USB连接线断开 插入 重试下载 23 6 故障处理 若将示例程序中的 程序下载到实验板上观察运行结果