电子设计自动化实验指导书(电气工程及其自动化版)

电子设计自动化 实实 验验 指指 导导 书书 2011 版 版 晋春 编写 适用专业 电气工程及其自动化 自动化专业 江苏科技大学电子信息学院 2011 年 5 月 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 1 前前 言言 本课程实验是在学习 电子设计自动化 课程中为加强理解可编程 逻辑器件 CPLD 和 FPGA 的工作原理 掌握 CPLD 和 FPGA 设计的基本 方法而开设的实践性课程 主要教学对象为自动化专业 电气工程及自 动化专业的 电子设计自动化 课程 测控技术与仪器专业的 EDA 设 计基础 课程也适用 本课程实验项目的安排遵循由简到难 循序渐进的原则 让学 生从初步掌握相关软硬件的使用 逐步灵活运用实验工具进行常用电 路的设计 最终能熟练使用各种可编程逻辑器件 CPLD 和 FPGA 设 计方法 进行综合电子电路设计 项目设置有 3 个验证性实验 VHDL 组合逻辑电路设计 VHDL 时序逻辑电路设计 VHDL 下状态机电路设 计 均为必做项目 3 个设计性实验 简易数字频率计设计 交通灯 信号控制器的设计 电子密码锁 为选做项目 内容由浅入深 循序 渐进 有效帮助学生更好地学习本课程 通过本实验课程 使学生掌 握 QuartusII 软件的使用 进一步熟悉 CPLD FPGA 结构和工作原理 熟悉 VHDL 硬件描述语言 掌握原理图输入法以及用 VHDL 文本输入法 进行常用电子电路设计 掌握仿真波形分析方法 熟练使用实验箱硬 件资源 掌握硬件测试方法 熟练掌握 EDA 技术进行电子系统设计和 开发的流程 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 2 目目 录录 实验一 VHDL 组合逻辑电路设计 3 实验二 VHDL 时序逻辑电路设计 10 实验三 VHDL 下状态机电路设计 12 实验四 简易数字频率计设计 14 实验五 交通灯信号控制器设计 17 实验六 电子密码锁 19 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 3 实验一 实验一 VHDL 组合逻辑电路设计组合逻辑电路设计 实验学时 2 实验类型 验证 实验要求 必修 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉 QuartusII 软件的使用 熟练进行程序输入 综合 仿真 2 熟悉实验箱硬件资源的使用 熟练进行引脚锁定和硬件测试 掌握 EDA 技 术设计流程 掌握数字逻辑电路设计的方法 3 学习简单数字逻辑电路的设计 仿真和硬件测试 二 实验内容二 实验内容 1 设计四选一多路选择器 利用 QuartusII 软件完成程序输入 综合和仿真验 证 给出仿真波形并进行结果分析 2 利用 GW48 EDA 实验系统完成硬件测试 验证本项目设计的功能 记录引 脚设置和测试结果 三 实验原理 方法和手段三 实验原理 方法和手段 多路选择器可以从多组数据源中选取一组送入目的地 应用相当广泛 从组合 逻辑的执行到数据路径的选择 经常可以看到它的踪影 多路选择器的结构是 个输入数据对应 N 个数据输出选择控制线和一个输出线 N 2 在 VHDL 中描述一个多路选择器的方法有多种 例如 在一个进程中使用 if then else 语句 在一个进程中使用 case 语句 使用选择信号带入语句或条件信 号代入语句 when else 语句 推荐使用 when else 语句 如 PORT DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 IN STD LOGIC VECTOR 3 DOWNTO 0 A B IN STD LOGIC Y OUT STD LOGIC VECTOR 3 DOWNTO 0 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 4 ARCHITECTURE ART OF MUX41 IS SIGNAL SEL STD LOGIC VECTOR 1 DOWNTO 0 BEGIN SEL B Y DATA0 WHEN SEL 00 ELSE DATA1 WHEN SEL 01 ELSE DATA2 WHEN SEL 10 ELSE DATA3 WHEN SEL 11 ELSE 0000 END ARCHITECTURE ART 四 实验组织运行要求四 实验组织运行要求 1 学生在进行实验前必须进行充分的预习 熟悉实验内容 2 学生拟定实验方案 编写完整的实验程序 3 学生严格遵守实验室的各项规章制度 注意人身和设备安全 配合和服从 实验室人员管理 4 教师在学生实验过程中予以必要的辅导 帮助学生独立完成实验 5 采用开放运行方式 教师做适当讲解 五 实验条件五 实验条件 1 提供一台具有 WINDOWS 2000 XP 操作系统的计算机 2 提供 QuartusII 软件开发环境 六 实验步骤六 实验步骤 1 前期准备 首先新建一个工作库目录文件夹 如 F mywork 便于存储工程 项目 此文件夹在后面操作中将被软件默认为工作库 不同的设计项目最好放在不 同的文件夹中 同一工程的所有文件必须放在同一文件夹中 再双击桌面图标 QuartusII 7 2 进入 QuartusII 软件用户界面 2 编辑设计文件 VHDL 文本输入法 选择 File New 在 New 窗口中的 Device Design Files 中选择设计文件类型为 VHDL File 确认后将打开 VHDL 文本编辑器 输入所设计的四选一多路选择器的 源程序 并选择 File Save 命令进行存盘 存储在如 F mywork 文件夹中 存储的 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 5 文件名应与实体名相同 如 MUX41 vhd 3 创建工程项目 1 在 File 菜单中选择 New Project Wizard 项 将出现工程项目建立向导对话框 2 首先出现的对话框中 在最上面的文本输入框中输入项目所在的目录名 F mywork 在中间的文本输入框中输入项目名称 MUX41 也可以用其 他名称 在最下面的文本输入框中输入最顶层模块的名称 MUX41 必须 是最顶层模块的实体名 3 点击 Next 进入到设计文件选择对话框 添加与工程相关的所有 VHDL 文件 本例中只有一个 MUX41 vhd 4 点击 Next 进入到器件选择对话框 在 Family 下拉菜单中选择 Cyclone 在 Available Devices 列表栏中选择 EP1C6T240C8 根据实验箱硬件资源 选取 5 点击 Next 进入到第三方 EDA 工具选择对话框 在这个界面我们可以选择第 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 6 三方的综合工具 仿真工具和时延分析工具 由于在本例中我们的综合 仿 真和时延分析都采用 Quartus II 内置的工具 所以在这个页面不作任何选择 6 点击 Next 进入到 Summary 对话框 在这个窗口列出了前面所作设置的全 部信息 点击 Finish 完成工程项目建立过程 回到主窗口 4 编译前设置 可参考教材第五章 本实验可省略这些操作 5 编译综合 选择菜单 Processing Start Compilation 启动全程编译 注意下方 Processing 栏中的编译信息 深红色标记条即为文件中的错误 修 改后再次编译直至排除所有的错误 编译成功后 可在界面各栏中参看编译与分 析结果的详细信息 6 时序仿真 在做仿真之前 必须要先建立波形激励文件 具体步骤如下 1 打开波形编辑器 选择 File New 选择 New 窗口中的 Other Files 中 Vector Waveform File 项后选择 OK 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 7 2 设置仿真时间区域 选择菜单 Edit End Time 在弹出的对话框中输入时间和 单位 如 50 us 3 导入端口信号名 首先选择 View Utility Windows Node Finder 在弹出框中 Filter 栏下选择 Pin all 在单击 List 按钮 将显示本设计中所有的端口引脚 名 再将所需要的各端口信号拖入到波形编辑器 完成后关闭 Nodes Found 窗口 4 编辑输入波形 并保存 利用波形编辑器工具栏提供的工具为输入信号赋值 工具栏中主要按钮的功 能介绍如下 放大和缩小工具 利用鼠标左键放大 右键缩小显示仿真波形区域 全屏显示 全屏显示当前波形编辑器窗口 赋值 0 对某段已选中的波形 赋值 0 即强 0 赋值 1 对某段已选中的波形 赋值 1 即强 1 时钟赋值 为周期性时钟信号赋值 十进制 十六进制等数值赋值 选择 File Save as 以默认名存盘 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 8 5 仿真参数设置 选择 Assignment Settings 在 Settings 窗口下选择 Category Simulator Settings 在右侧的 Simulation mode 项下选择 Timing 时序仿真 Simulation input 栏中选中前面设计好的波形文件 默认 6 启动仿真器 选择 Processing Start Simulation 直到出现 Simulate was successful 仿真结束 7 观察并记录仿真结果 7 硬件测试 先要将程序中输入输出信号和实验箱芯片的引脚进行锁定 再编译后下载 完成硬件测试 根据附录 选择适当的电路模式 如 No 5 1 选择 Tools 菜单中的 Assignments 项 进入 Assignment Editor 编辑器窗 在 Category 栏中选择 Pin 或直接单击右上侧的 Pin 按钮 2 双击 To 栏的 New 在出现的下拉栏中分别选择本工程要锁定的端口信号 再双击 Location 栏 New 通过查阅附录 GW48 EDA 芯片引脚对照表 选择好 对应端口号的器件引脚号 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 9 3 重新保存文件 再编译 启动 Start Compilation 一次 才能将引脚锁定信息 编译进编程下载文件中 4 首先将实验系统和 USB 通信线连接上电脑 打开电源 安装好驱动文件 驱 动文件默认在安装路径 c Altera quartus72 drive Usb Blaster 下 5 打开编程窗口 选择菜单 Tools 中 Programmer Mode 栏中选择编程模式 JTAG 默认 核实文件路径和文件名 可单击左侧 Add File 按钮手动选择配置 文件 6 设置编程器 单击上图界面中左上角 Hardware Setup 按钮 在弹出对话框中 选择 Hardware setting 页 选好合适的下载方式 如 Usb Blaster 可点击 Add Hardware 按钮 添加下载方式 关闭对话框 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 10 7 单击 Star 按钮 进入配置文件的下载操作 当 Progress 显示 100 表示编程 下载成功 8 下载成功后 操作实验箱各按键 进行硬件测试 观察和记录实验结果 七 思考题七 思考题 除了使用选择信号带入语句或条件信号代入语句 when else 语句 实现四选 一选择器 还有其他很多方法 试列写 1 2 种实现方法 八 实验报告撰写要求八 实验报告撰写要求 1 撰写实验预习报告 包含实验目的 实验内容 并根据实验内容撰写相关 的实验原理和实验程序 完成思考题 以备实验前检查 2 记录仿真波形 完成仿真结果的详细分析 3 整理硬件测试记录 验证本项目的功能 4 撰写实验心得 简述在实验过程中出现的问题 是何原因以及如何解决的 实验二 实验二 VHDL 时序逻辑电路设计时序逻辑电路设计 实验学时 2 实验类型 验证 实验要求 必修 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉十进制加法计数器的原理与功能应用 2 学习计数器的设计 仿真和硬件测试 3 进一步掌握多层次电路设计 仿真和硬件测试 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 11 二 实验内容二 实验内容 1 程序设计一个带异步清零 同步时钟使能和并行置数的十进制加法计数器 再通过 QuartusII 软件进行编辑输入 综合 仿真和硬件测试 2 采用多层次电路设计方法 设计一个数字时钟 再进行仿真和硬件测试 三 实验原理 方法和手段三 实验原理 方法和手段 计数器是在数字系统中使用最多的时序电路 它不仅能用于对时钟脉冲计数 还可以用于分频 定时 进行数字运算等 十进制计数器有控制线 4 个 清零信号 Clrn 时钟使能信号 En 置数信号 Load 时钟信号 Clk 并行数据输入线 4 个 D3 D2 D1 D0 数据输出线 4 位 Q3 Q2 Q1 Q0 输出进位线端口 1 个 C0 真值表如下 D 3 0 Q 3 0 ClkClrnLoad En D3D2D1D0Q3Q2Q1Q0 0XXXXXX0000 10XD3D2D1D0D3D2D1D0 110XXXX Q 不变 111XXXX 计数 两位十进制计数器可由 2 个十进制计数器级联构成 个位计数器的进位输出信 号作为十位计数器的时钟驱动信号即可 数字时钟实际上是对一个标准 1Hz 秒脉冲信号进行计数的计数器 秒计数器满 60 后向分计数器进位 分计数器满 60 后向时计数器进位 时计数器按 24 进制计 数器规律计数 各计数器的数值经译码器送 LED 显示 提示 分别设计带清零和 时钟控制的 2 个模 60 计数器和 1 个模 24 计数器 按照串行进位的关系连接即可实 现一个简易的数字时钟 四 实验组织运行要求四 实验组织运行要求 1 学生在进行实验前必须进行充分的预习 熟悉实验内容 2 学生拟定实验方案 编写完整的实验程序 3 学生严格遵守实验室的各项规章制度 注意人身和设备安全 服从管理 4 教师在学生实验过程中予以必要的辅导 帮助学生独立完成实验 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 12 5 采用开放运行方式 教师做适当讲解 五 实验条件五 实验条件 1 提供一台具有 WINDOWS 2000 XP 操作系统的计算机 2 提供 QuartusII 软件开发环境 六 实验步骤六 实验步骤 操作步骤参见实验一 这里不在详述 七 思考题七 思考题 60 24 进制的 2 位数十进制计数器除了用 2 个一位数十进制计数器串接实现之 外 怎样用其他方法实现 八 实验报告撰写要求八 实验报告撰写要求 1 撰写实验预习报告 包含实验目的 实验内容 并根据实验内容撰写相关 的实验原理和实验程序 完成思考题 以备实验前检查 2 记录仿真波形 完成仿真结果的详细分析 3 整理硬件测试记录 验证本项目的功能 4 撰写实验心得 简述在实验过程中出现的问题 是何原因以及如何解决的 实验三 实验三 VHDL 下状态机电路设计下状态机电路设计 实验学时 4 实验类型 验证 实验要求 必修 一 实验目的一 实验目的 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 13 1 进一步熟悉序列检测器的原理 2 学习用状态机实现序列检测器的设计 掌握一般状态机的设计与应用 3 进一步熟悉 QuartusII 的使用 掌握多层次电路的设计 仿真和硬件测试 二 实验内容二 实验内容 1 设计一个序列检测器 检测 11100101 序列 给出设计方案 包括状态 图 和源程序 完成软件仿真和硬件测试 2 利用实验系统中 ADC0809 芯片 用状态机方式实现数据采集 三 实验原理 方法和手段三 实验原理 方法和手段 序列检测器可用于检测一组或者多组由二进制码组成的脉冲序列信号 当序列 检测器连续收到一组串行二进制码后 如果这组码与检测器中预先设置的码相同 则输出 1 否则输出 0 这就要求检测器必须记住前一次的正确的代码及正确序列 直到在连续的检测中所收到的每一位码都与预置的对应码相同 提示 本实验中要求检测 11100101 序列 电路需要分别记忆 初始状态 1 11 111 1110 11100 111001 1110010 11100101 共 9 种状态 先构造序 列检测器的状态图 再使用状态机进行程序设计 ADC0809 的采样控制原理已在教材中作了详细说明 ADC0809是CMOS 的8 位 A D转换器 片内有8 路模拟开关 可控制8个模拟量中的一个进入转换器中 转 换时间约100 s 含锁存控制的8路多路开关 输出有三态缓冲器控制 单5V电 源供电 主要控制信号如下图所示 START 是转换启动信号 高电平有效 ALE 是3 位通道选择地址 ADDC ADDB ADDA 信号的锁存信号 当模拟量送至某一输 入端 如IN1 或IN2 等 由3 位地址信号选择 而地址信号由ALE锁存 EOC是转 换情况状态信号 当启动转换约100 s 后 EOC产生一个负脉冲 以示转换结束 在EOC的上升沿后 若使输出使能信号OE 为高电平 则控制打开三态缓冲器 把 转换好的8 位数据结果输至数据总线 至此ADC0809 的一次转换结束 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 14 四 实验组织运行要求四 实验组织运行要求 1 学生在进行实验前必须进行充分的预习 熟悉实验内容 2 学生拟定实验方案 编写完整的实验程序 3 学生严格遵守实验室的各项规章制度 注意人身和设备安全 服从管理 4 教师在学生实验过程中予以必要的辅导 帮助学生独立完成实验 5 采用开放运行方式 五 实验条件五 实验条件 1 提供一台具有 WINDOWS 2000 XP 操作系统的计算机 2 提供 QuartusII 软件开发环境 六 实验步骤六 实验步骤 学生自行进行设计方案 写出实验程序 在 QuartusII 软件上进行仿真验证 软 件操作步骤参见实验一 这里不在详述 七 思考题七 思考题 采用状态码直接输出型状态机 应该怎样实现 写出实现方案 八 实验报告八 实验报告 1 撰写实验预习报告 包含实验目的 实验内容 并根据实验内容撰写相关 的实验原理和实验程序 完成思考题 以备实验前检查 2 记录仿真波形 完成仿真结果的详细分析 3 整理硬件测试记录 验证本项目的功能 4 撰写实验心得 简述在实验过程中出现的问题 是何原因以及如何解决的 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 15 实验四 简易数字频率计设计实验四 简易数字频率计设计 实验学时 4 实验类型 设计 实验要求 选修 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉简易频率计的工作原理 2 学习频率计的分析 设计方法 学习较复杂系统的 EDA 设计方法 3 进一步掌握多层次电路的设计 仿真和硬件测试 二 实验内容二 实验内容 1 设计一个 2 位频率计 对待测信号的频率 0 99Hz 进行测量 显示 给出设计方案 并进行仿真和硬件测试 验证设计方案的功能 三 实验原理 方法和手段三 实验原理 方法和手段 频率计是能够测量和显示信号频率的电路 常用的直接测频法有两种 一种是 测周期法 一种是测频率法 测周期法是在待测信号一个周期内 记录基准系统时 钟频率的周期数 测频率法是在一定时间间隔内测量待测信号的周期数 一般对于 低频信号采用测周期法 对于高频信号采用测频率法 本实验采用测频率法来设计 2 位频率计 在指定的 1s 时间间隔内 下图中 CNT EN 1 持续时间为 1s 用 2 位十进制计数器对待测信号进行计数 测得的 周期数为 N 则待测信号的频率就为 N 1s 即 N Hz 再通过显示电路显示出数值 N 所以方案中需要设计带时钟使能的 2 位十进制计数器 七段显示译码器 此外 还需要一个时序控制电路 产生复位 计数 锁存周期循环的工作时序 如下图 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 16 频率计的设计原理图可参看下图 主要有时序控制电路 计数主电路 锁存电 路和译码显示电路 四 实验组织运行要求四 实验组织运行要求 1 学生在进行实验前必须进行充分的预习 熟悉实验内容 2 学生拟定实验方案 编写完整的实验程序 3 学生严格遵守实验室的各项规章制度 注意人身和设备安全 服从管理 4 教师在学生实验过程中予以必要的辅导 帮助学生独立完成实验 5 采用开放运行方式 教师做适当讲解 五 实验条件五 实验条件 1 提供一台具有 WINDOWS 2000 XP 操作系统的计算机 2 提供 QuartusII 软件开发环境 六 实验步骤六 实验步骤 在QuartusII 软件开发环境中使用原理图输入法 除了最初的编辑输入与 VHDL 文本法不同外 其他步骤都一样 1 建立工程文件夹 如 F adder 2 编辑原理图输入 1 选择 File New 在对话框中选择 Device Design Files 页中的 Block Diagram Schematic File OK 即可 2 在编辑窗口任意位置右击鼠标 在出现的快捷菜单中选择 Insert Symbol 3 单击按钮 找到基本元件库 d altera 72 quartus libraries 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 17 primitives logic 项 选中需要的元件 此元件将显示在窗口中 单击 OK 按钮就 可将元件调入原理图编辑器中 分别调入所有元件 连线 完成原理图设计 4 保存 File Save As 选择前面的文件夹 F adder 保存为 bdf 3 设置成可调用元件 为了顶层设计 可以将当前设计变成一个元件符号 选择菜单 File Create Update Create Symbol Files for Current File 项即可 4 设计顶层文件 重新打开原理图编辑器 在路径 F adder 中可以找到刚才所定义的元件 调 入 再分别调入其他元件 连线 构造顶层设计 5 建立工程 编译 仿真 创建一个新的工程项目 添加顶层文件 再进行编译前设置 全局编译 最后 再创建波形仿真文件 波形参数设置 给定输入波形 启动仿真 这一系列步骤与 VHDL 文本输入法相同 参见实验一 6 硬件测试 一系列步骤与 VHDL 文本输入法相同 参见实验一 七 思考题七 思考题 所设计的 2 位频率计的测试误差为多少 简述其引起原因 八 实验报告八 实验报告 1 撰写实验预习报告 包含实验目的 实验内容 并根据实验内容撰写相关 的实验原理和实验程序 完成思考题 以备实验前检查 2 记录仿真波形 完成仿真结果的详细分析 3 整理硬件测试记录 验证本项目的功能 4 撰写实验心得 简述在实验过程中出现的问题 是何原因以及如何解决的 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 18 实验五 交通灯信号控制器设计实验五 交通灯信号控制器设计 实验学时 4 实验类型 设计 实验要求 选修 一 实验目的一 实验目的 1 学习交通灯信号控制器的组成和工作原理 2 学习交通灯信号控制器的分析设计方法 掌握较复杂系统的 EDA 设计方法 3 进一步熟悉 QuartusII 的使用 掌握多层次电路的设计 仿真和硬件测试 二 实验内容二 实验内容 设计交通灯信号控制器 要求如下 主 支干道各设有一个绿 黄和红指示灯 主干道处于常允许通行状态 而支干道有车来才允许通行 当主干道允许 通行亮绿灯时 支干道亮红灯 而支干道允许通行亮绿灯时 主干道亮红灯 当主 支道均有车时 两者交替允许通行 主干道每次放行 45s 支干道每 次放行 25s 在每次有亮绿灯变成亮红灯的转换过程中 要亮 5s 的黄灯作为过渡 并进行减计时显示 三 实验原理 方法和手段三 实验原理 方法和手段 利用 VHDL 语言设计了十字路口交通灯的交通灯控制模块 定时模块 显示控 制模块 实现表 1 的控制方案 表 1 交通灯控制器状态转换表 状态主干道支干道时间 1 绿灯亮红灯亮 45s 2 黄灯亮红灯亮 5s 3 红灯亮黄灯亮 25s 4 红灯亮绿灯亮 5s 四 实验组织运行要求四 实验组织运行要求 江苏科技大学电子信息学院 电子设计自动化实验指导书 19 1 学生在进行实验前必须进行充分的预习 熟悉实验内容 2 学生拟定实验方案 编写完整的实验程序 3 学生严格遵守实验室的各项规章制度 注意人身和设备安全 服从管理 4 教师在学生实验过程中予以必要的辅导 帮助学生独立完成实验 5 采用开放运行方式 五 实验条件五 实验条件 1 提供一台具有 WINDOWS 2000 XP 操作系统的计算机 2 提供 QuartusII 软件开发环境 六 实验步骤六 实验步骤 学生按要求进行方案设计 写出实验程序 在 QuartusII 软件上进行仿真验证 软件操作步骤参见实验一 这里不在详述 七 实验报告七 实验报告 1 撰写实验预习报告 包含实验目的 实验内容 并根据实验内容撰写相关 的实验原理和实验程序 完成思考题