基于VHDL的点阵扫描程序.docx

数字电路与逻辑设计实验报告基于VHDL的点阵扫描程序【系统设计】1采用自顶向下（top-down）设计法，分为以下三个步骤：l Step 1：确定初步方案，进行系统设计和描述：图1 点阵显示系统结构框图 1) 系统结构框图:绘出系统结构框图如下所示：2) 分析：系统输入信号：a. 输入控制信号：控制点阵显示内容几种状态的转换；b. 时钟输入：实验中我所使用的实验板高频时钟为1MHz； 系统输出信号： 点阵上显示的各点亮暗信息就是系统输出信息。l Step 2：系统划分，进行各个模块功能描述： 从题目要求的点阵系统的功能出发，将系统划分为四大模块：分频模块、各个模式分频控制模块、总控制模块、显示模块。可简要概括为分频模块和显示控制模块，其中显示控制模块包括各模式分频控制模块、总控制模块和显示模块。1) 方框图（模块划分）：2) 分析：a.分频模块： 由于系统可用单元为128宏个单元，所以为了节约使用量，采取用二进制向量来计数，同时用向量特定位的状态来作为分频标志，经计算可得若定义一个25位的二进制数，则18号位的0、1变化可作为4Hz的时钟高低电平变化标志，以此类推19号位可作为2Hz的时钟高低电平变化标志，21号位可作为0.5Hz的时钟高低电平的变化标志。因此可以把计数的值直接用于控制点阵的显示。 b.显示控制模块： 输入信号： M_mode：为2维向量，由2个拨码开关控制，共可控制显示4种状态， 在此只是用00-11的四种状态 Auto是自动切换使能键 Reset是复位键 C_out为分频模块的输出，作为显示控制的标志。 输出信号： lie:为8维向量，为点阵显示的行信号； hang:为8维向量，为点阵显示的列信号；l Step 3：逻辑描述：1) 系统状态分析： 根据题目要求，系统共有4个大状态，记为A、B、C、DA：计扫描控制电路，使光点从左上角像素点开始扫描，终止于右下角像素点，然后周而复始地重复下去，扫过一帧所需时间为16 秒；B：每次显示1 个字符，共 5个，每秒切换一个字符，所显示字符为：EZFHNC：显示一幅动画；D:滚动显示一幅动画。2) MDS图： 输入控制信号m_mode为二维向量，在手动模式下控制显示的模式 Auto为自动显示的使能信号绘出MDS图，如下所示： B Auto=0,m_mode=00A Auto=0,m_mode=01 Auto=1,m_mode=01 Auto=1,m_mode=00 auto=1,m_mode=10DC auto=1,m_mode=11 auto=0,m_mode=11 auto=0,m_mode=10 通过两个拨码开关来输入m_mode实现状态在A、B、C之间的转移控制。另外，系统的大状态只有上述的A、B、C四种，而每种大状态中，有包含有多个循环的小状态，这部分内容将在下面的“点阵显示原理设计”中详细分析。以上部分即通过自顶向下的方法，逐步探求系统的设计方法。当然在实验过程中，也对初步设计时进行了反复的修改和补充，使整个体统更加完善。2. 点阵显示原理设计：图6 点阵电路原理1) 点阵显示原理分析： 88 点阵是由如图所示的64个发光二极管构成的，当相应二极管的行电平为高电平，列电平为低电平时，二极管导通发亮，所以8个列使用一个行驱动。那么当一行同时有超过一个以上的灯亮时，每个灯都会分走电流，导致每行灯点亮多时就变暗，少时就变亮。 为了使点阵能够在人眼看它的时候呈现出设计好的图形，并且亮度均匀，用列信号(hang)作为选通控制就会亮度均匀，只要保证任何时刻只有一位hang信号为低，其余位都为高即可。反之，用行信号去控制就会出现亮度不均匀的情况。2) 显示内容设计：l A状态：扫描控制电路，光点从左上角像素点开始扫描，终止于右下角像素点，然后周而复始地重复下去。 此状态在某一时刻只有一个点在亮，比较简单，不做过多分析。l B状态：每次显示1 个字符，至少显示4 个字符，每秒切换一个字符； 设计显示的字符为：EZFHN。由于B状态共显示5个字符，所以分为四个状态分别为“E”、“Z”、“F”、“H”、“N”，又根据上面分析的点阵的工作原理，将这五个状态中的每一个再进一步分成8个子状态，如下图所示。所以，对于B状态，实际上是4*8=32个子状态间的切换，利用人眼的视觉暂留，在显示每个字符的1秒钟内用高频扫面这个字符的8个子状态，进入下一秒钟后，同理用高频扫面这个字符的8个子状态。B状态的分解如下图所示： 列电平（hang）总是按照以下这8个状态在循环扫描，在某一时刻只有一个列电平为0，其余均为高电平： hang(1) = 01111111 hang(2) = 10111111 hang(3) = 11011111 hang(4) = 11101111 hang(5) = 11110111 hang(6) = 11111011 hang(7) = 11111101 hang(8) = 11111110 行电平（row）则控制要显示的内容。l C状态：显示一幅动画 ，令点阵从里到外对称的显示四个点，然后全亮，然后在逐渐全暗，然后再重新循环亮对称的四个点。其原理同B状态。l D状态：显示一幅滚动图画，是一个箭头从右向左移动，其原理同【实验源程序】1、分频模块：library ieee; use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_signed.all;entity freq isport(f_clk : in std_logic;f_reset: in std_logic;f_ctrl:out std_logic_vector(9 downto 0);end freq;architecture f of freq issignal count:std_logic_vector(24 downto 0):=0000000000000000000000000;beginprocess(f_clk,f_reset,count)begin if(f_reset=1)then count=0000000000000000000000000; elsif(f_clkevent and f_clk=1)then if count=1111111111111111111111111 then count=0000000000000000000000000; elsecount=count+1; end if; end if;f_ctrl(9 downto 3)=count(24 downto 18); -18-4Hz,19-2Hz,20-1Hz,21-0.5Hzf_ctrl(2 downto 0)=count(2 downto 0); -1MHzend process;end f;2、各个模式的频率控制模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_signed.all;entity contr isport(c_mode:instd_logic_vector(1 downto 0);c_in:instd_logic_vector(9 downto 0);c_out:outstd_logic_vector(7 downto 0);end contr;architecture c of contr issignal c_lie:std_logic_vector(4 downto 0):=00000;signal c_hang:std_logic_vector(2 downto 0):=000;beginprocess(c_mode,c_in,c_lie,c_hang)beginif (c_mode=00) thenc_lie(4 downto 0)=c_in(9 downto 5); -1Hz, when use chose 8-4 for 0.5Hz,model1s hang c_hang(2 downto 0)=c_in(5 downto 3); -4Hz for model1s hang elsif (c_mode=01) thenc_lie(4 downto 0)=c_in(9 downto 5); - 1Hz model2 c_hang(2 downto 0)=c_in(2 downto 0); elsif c_mode=10 then c_lie(4 downto 0)=c_in(7 downto 3); -4Hz for model3c_hang(2 downto 0)=c_in(2 downto 0);elsif c_mode=11 then c_lie(4 downto 0)=c_in(8 downto 4); - 1Hz model2 c_hang(2 downto 0)=c_in(2 downto 0);end if;c_out(7 downto 3)=c_lie(4 downto 0);c_out(2 downto 0)hanghanghanghanghanghanghanghanglielielielielielielieliehang=11111111;liehang=10111111;liehang=11011111;liehang=11101111;liehang=11110111;liehang=11111011;liehang=11111111;liehang=11111111;liehang=11111111;liehang=10111111;liehang=11011111;liehang=11101111;liehang=11110111;liehang=11111011;liehang=11111101;liehang=11111111;liehang=11111111;liehang=10111111;liehang=11011111;liehang=11101111;liehang=11110111;liehang=11111011;liehang=11111101;liehang=11111111;liehang=11111111;liehang=10111111;liehang=11011111;liehang=11101111;liehang=11110111;liehang=11111011;liehang=11111111;liehang=11111111;liehang=11111111;liehang=10111111;liehang=11011111;liehang=11101111;liehang=11110111;liehang=11111011;liehang=11111101;liehang=11111111;liehang=11111111;liehang=11100111;liehang=11011011;liehang=10111101;liehang=01111110;liehang=00000000;liehang=10000001;liehang=11000011;liehang=11100111;liehang=11111111;lie hang=11111111;lie lie=00010000;hang lie=00111000;hang lie=01111100;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00000000;hang lie=00111000;hang lie=01111100;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00000000;hang lie=00010000;hang lie=01111100;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00000000;hang lie=00010000;hang lie=00111000;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00000000;hang lie=00010000;hang lie=00111000;hang lie=01111100;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00000000;hang lie=00010000;hang lie=00111000;hang lie=01111100;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00000000;hang lie=00010000;hang lie=00111000;hang lie=01111100;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00000000;hang lie=00010000;hang lie=00111000;hang lie=01111100;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00000000;hang lie=00010000;hang lie=00111000;hang lie=01111100;hang lie=11111110;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang lie=00111000;hang=11111110; end case; end if; d_lie=lie; d_hangclk,f_reset=re,f_ctrl=ctrl);d_d:dianzhen port map(d_mode=mode,d_scan=fd_scan,d_lie=mlie,d_hang=mhang);c_c:contr port map(c_mode=mode,c_in=ctrl,c_out=fd_scan);process(clk,reset,m_mode,mhang,mlie,auto,re,fd_scan)beginre=reset ;if(re=0) then if auto=0 then mode=m_mode; elsif auto=1 then if( fd_scan(7)event and fd_scan(7)=1) thenif(mode=11) thenmode=00;elsemode=mode+1;end if; end if;end if; else mode=00; end if;m_lie=mlie;m_hang=mhang;end process;end m;【故障及问题分析】1. VHDL语法问题总结：在编程的过程当中出现了一些容易犯的错误，现在将它们总结如下：1) 进程与进程之间、进程与进程外的语句是并行的关系；进程内部才是串行的关系；2) 不同的进程可以对同一个信号敏感，但是不同的进程不能修改同一个信号；3) 实体的输出信号不能直接作为一个进程的敏感信号，如果需要的话，可以将这个输出信号赋值给临时信号，再用临时信号作为进程的敏感信号。4) Case when 语句比if else then 语句更能节省宏单元。2. ALTERA Quartus II使用方法总结：通过这一个月的实践，可以说我对ALTERA Quartus II已经掌握的很熟练了。有几个问题总结如下：1) 在下载时，一定注意器件的选择是否正确。2) 在建立仿真波形时，end time的设定不能太长，因为计算机会“跑不过来”；同时也不能设的太短，因为所使用的实验板具有15ns的延迟，假设设置为1ns的话，就完全看不到波形。可以根据情况设置，我一般选择us级别的end time.3) 无需每次下载之前都建立仿真波形仿真。编译的作用是找出VHDL语法上的错误；仿真的作用是找出除了语法错误以外的、人为产生的错误；在软件的学习过程当中，产生了思维定势，觉得一定是：编译、仿真、下载的顺序。 仿真时所采用的分频比，并不是实际要求的分频比，而是为了看到清晰的波形，大大降低了实际的分频比。则在下载之前，还要将分频比改回所要求的原始分频比，然后直接下载就可以了。所以说，编译之后也可以直接下载，只要能够保证程序在逻辑上的正确性即可。3. EMP7128SLC84-15实验板的使用:对于此型号的实验板，有以下几点注意：1) 高频时钟会有不同，我所使用的实验板是30MHz的，也有1MHz，10MHz等型号的。2) 时钟管脚为83管脚。3) 有低频时钟：实验板上有可调的低频时钟，但由于点阵需要不止一个时钟，而且要求时间是精确的，所以必须从高频时钟中分得所需的时钟。【总结和结论】通过一个月的不断努力，我已经能够进一步掌握VHDL的使用语法，熟练ALTERA