EDA技术实验指导书

EDA 技术 实验指导书 面向专业 通信工程 信息工程 自动化 电子信息工程 电气工程及其自动化 信息与通信工程学院 2016 年 9 月 I 前 言 一 课程性质 本课程是电子信息工程 通信工程 信息工程和自动化专业必修的专业实 验课程 通过本课程的教学 使学生掌握 EDA 技术的开发流程 学会利用以硬 件描述语言为描述工具 以可编程逻辑器件为实现载体 在数字系统设计领域 熟练应用 EDA 技术 使其具备研究和开发现代数字系统的能力 2 专业安排 本系统分为多个模块 适合通信工程 信息工程 自动化 电子信息工程 电气工程及其自动化等专业使用 三 本书特点 本实验指导书的特点是引入工程项目机制来管理实验项目 着重培养学生 的方案设计 算法分析和现场调试能力 为培养卓越工程师打下坚实的基础 II 目 录 前 言 I 第一章 实验系统 1 1 1 系统整体结构 1 1 2 核心板 1 1 3 基础扩展模块 2 1 4 自动控制模块 3 1 5 信号处理模块 3 1 6 通信接口模块 4 第二章 开发平台简介 5 2 1 Quartus II 简介 5 2 2 Quartus II 开发流程 5 第三章 实验项目 9 实验 1 平台应用及全加器设计 9 实验 2 信号发生器设计 11 实验 3 数字电压表设计 13 实验 4 数字频率计设计 16 实验 5 交通灯控制器设计 19 1 第一章 实验系统 1 1 系统整体结构 本实验指导书采用的 EDA 综合实验开发系统是我院电子信息与通信技术实验教学 中心自主研制 整体结构如图所示 1 2 核心板 核心板采用 Altera 公司的 EP4CE22E22C8N 芯片 具有低内核电压 低功耗的特 点 芯片内部具有 22320 个逻辑单元 594kbit RAM 嵌入式储存器 66 个嵌入式 18 18 乘法器 4 组通用 PLL 1 DIP 开关 主要功能是控制高低电平 通过手动控制为系统提供稳定的逻辑信号 系统总共 提供了 3 位拨档开关 当开关的档位在上方时则输出高电平 1 反之则为低电平 0 2 复位开关 复位开关可以通过手动控制为系统提供脉冲信号 在系统中一共提供了 5 位的按 键开关 当按下键后其输出为低电平 0 反之则为高电平 1 3 发光二极管 LED 由一片 74HC573 锁存器驱动 74HC573 使能后 IO 口输出高电平 LED 点亮 反 2 之 LED 则熄灭 可以模拟二进制数据输出 4 数码管 采用 2 位共阴极数码管 由一片 74HC573 锁存器驱动数码管段选 由两个三极管 S8050 驱动数码管位选 用于显示两位数值 5 蜂鸣器 由 1 个无源蜂鸣器和 1 个三极管 S8050 组成 6 储存 在本系统中采用 1 个 32M 8 位的串行 Flash W25Q256 通过对其编程控制 进行 数据储存与提取 如 语音存储与回放实验 7 时钟 使用 50MHz 有源晶振 可以为 AD DA 和数字频率计提供参考时钟 1 3 基础扩展模块 基础扩展模块有时钟模块 数字信号源 数码管模块 矩阵键盘模块 红外模块 和温度模块 1 时钟模块 时钟模块中的主芯片是 DS1302 DS1302 由 VCC1 或 VCC2 备用电池 两者中 的较大者供电 当 VCC2 大于 VCC1 0 2V 时 VCC2 给 DS1302 供电 当 VCC2 小 于 VCC1 时 DS1302 由 VCC1 供电 X1 和 X2 是振荡源 外接 32 768kHz 晶振 RST 是复位 片选线 通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送 I O 为串行数 据输入输出端 双向 SCLK 始终是输入端 2 数字信号源 数字信号源由 74HC04 反相缓冲器 74HC163 计数器 74HC4060 计数器组成 24MHz 晶振通过 74HC04 反相缓冲器输出 5V 24M 正弦波 通过 74HC163 二 四 八分频 74HC4060 也是实现分频 其分频输出的频率都在模块的相应位置查看 3 数码管模块 数码管模块使用的是 4 位共阴数码管 由两片 74HC573 驱动位选信号以及段选信 号 74HC573 当锁存使能端 LE 为高时 这些器件的锁存对于数据是透明的 也就是 说输出同步 当锁存使能变低时 符合建立时间和保持时间的数据会被锁存 OE 为 片选端 4 矩阵键盘模块 4 4 键盘主要是通过编程实现 0 F 的输入 也可以作为一个控制键 其中行占用 4 个 I O 列占用 4 个 I O 5 红外模块 3 红外模块中由红外接收头 HS0038 和一个上拉电阻组成 红外接收头的工作频率 为 38kHz 当红外接收头接收到 38kHz 的信号时输出低电平 0 反之输出高电平 1 从而实现红外信号的解码 6 温度模块 温度模块由 DS18B20 和一个上拉电阻组成 DS18B20 工作原理 刚启动时将进 入低功耗等待状态 当需要执行温度测量和 AD 转换时 总线控制器发出 44H 指令完 成温度测量和 AD 转换 DS18B20 将产生的温度数据以两个字节的形式存储到高速暂 存器的温度寄存器中 然后 DS18B20 继续保持等待状态 当 DS18B20 芯片由外部 电源供电时 总线控制器在温度转换指令之后发起 读时隙 从而读出测量到的温度 数据通过总线完成与单片机的数据通讯 DS18B20 正在温度转换中由 DQ 引脚返回 0 转换结束则返回 1 1 4 自动控制模块 自动控制模块有交通灯 步进电机和直流电机控制 其控制引脚均已标注在自动 控制模块相应位置 1 交通灯控制 交通灯控制为模拟十字路口交通灯的控制 有红 绿 黄 3 种指示灯 共 4 个方 向 分 12 个 IO 口控制 LED 灯的负极接在 FPGA 的 IO 口上 正极通过一个 1K 的限 流电阻接在 3 3V 电源上 LED 指示灯的亮灭通过控制相应的 IO 口输出电平来实现 2 步进电机控制 通过将脉冲信号转变成角位移实现步进电机的精确定位 共用到 4 个 IO 口 控制 其正反转时 IO 口需按照一定顺序输出高低电平 步进电机的驱动芯片为 L293DD 有 4 个输入引脚 4 个输出引脚 输入输出引脚的电平关系是一一对应的 每个输出引脚 能输出 600mA 的电流 3 直流电机控制 直流电机的控制采用脉冲宽度调制技术 PWM 基本原理是在固定周期内 高 电平占的比重越多 电机转速就越快 通过 PNP 三极管 S8550 提供大电流驱动直流电 机 当 IO 口为高电平时 三极管不导通 反之则导通 1 5 信号处理模块 信号处理模块有 AD 采集 DA 输出 语音采集 语音回放和电压调节部分 1 AD 采集 AD 采集部分是由 AD9280 采集芯片采集 信号通过 SMB 接口输入 AD8065 调节 4 后送入 AD 采集 AD9280 是一款单芯片 8 位 32 MSPS 模数转换器 ADC 采用 单电源供电 内置一个片内采样保持放大器和基准电压源 它采用多级差分流水线架 构 数据速率达 32 MSPS 在整个工作温度范围内保证无失码 语音采集部分由前级 放大电路和 300Hz 3 4Khz 带通滤波电路组成 语音信号可由 MIC 接口或驻极体咪头 输入 经放大电路后滤波输出至 AD 部分采集 电压调节部分是由 5V 加在可调电阻 上 实现输出电压 0 5 输出可调 通过输入 AD 采集前级电路调节偏置后输入 AD 采 集 2 DA 输出 DA 输出部分是由 AD9708 芯片差分输出 信号通过七阶巴特沃斯滤波后经过 AD8065 差分相减后再经 AD8065 放大后由 SMB 接口输出 AD9708 是 TxDAC 系列 的 8 位分辨率成员系列的高性能 低功耗的 CMOS 数字 模拟转换器 DAC 该 TxDAC 系列包括针兼容 8 位 10 位 12 位 14 位 DAC 是专门 opti 而得到优化用 于通信系统的发射信号路径 所有的设备共享相同的接口选项 小外形封装和引脚分 布 从而提供了一个向上或向下的根据性能 分辨率选择适合的器件和成本 AD9708 提供出色的交流和直流性能同时支持更新速率高达 125MSPS 语音回放部分由滤波电 路及功率放大 LM386 部分组成 信号由喇叭输出 语音信号由 DA 输出至滤波电路滤 波 可通过调节阀调节信号幅度 1 6 通信接口模块 通信接口模块有 RS232 接口 PS 2 接口 RS485 接口 USB 接口 VGA 接口 其信号输入输出均已标注在通信接口模块相应位置 1 RS232 接口 RS232 接口通过一个标准的 DB9 母头和外部的串口线连接带有串口的电脑或者其 他设备 实现 RS232 串口通信 2 PS 2 接口 PS 2 接口用于连接电脑鼠标和键盘等 PS 2 设备 通过 PS 2 口 仅仅需要两个 IO 口 就可以扩展一个键盘 3 RS485 接口 RS485 接口通过 MAX485 芯片实现逻辑电平转换 通过两个端口和外部 RS485 设 备连接 即 A 和 B 不需要 GND 可实现多点双向通信 数据传输距离可达千米 4 USB 接口 USB 接口采用 PL2303 来实现 USB 转串口 同时对串口信号设置了两个 LED 指 示灯 用于指示串口数据收发 5 VGA 接口 5 VGA 接口主要是通过编程实现 VGA 视频信号在监视器上显示 其中包含 R G B HS VS 来控制视频显示 6 第二章 开发平台简介 2 1 Quartus II 简介 Quartus II 是 Altera 公司的综合性 EDA 开发软件 支持原理图 VHDL Verilog HDL 和 AHDL 等设计模式 内嵌综合器和仿真器 可以完成从设计输入到硬件配置的 完整设计流程 Quartus II 支持 Altera 的 IP 核 集成了 LPM MegaFunction 宏功能模块 库 简化了设计的复杂性 加快了设计速度 用户可以使用第三方 EDA 工具 2 2 Quartus II 开发流程 一 创建工程 1 建立工程目录 新建一个文件夹 用于存放工程文件 文件路径中不能包含中文 2 新建工程 单击菜单 File New Project Wizard 指定工程目录 名称和顶层设计实体 选择目标芯片 将工程视图切换到 Files 标签 7 3 新建文件 单击工具栏上的按钮或菜单 File New 选择 Design Files 下的 Block Diagram Schematic File 新建原理图文件 选择 Design Files 下的 Verilog HDL File 新建源程序文件 选择 Memory Files 下的 Hexadecimal File 或 Memory Initialization File 新建内存初 始化文件 选择 Verifica Debugging Files 下的 Unive Program VWF 新建仿真波形文件 在原理图编辑窗口双击左键 即可打开插入元件对话框 展开元件所在的类的图 标 或直接在 Name 框中输入元件名称 可找到需要的元件 单击 MegaWizard Plug In Manager 按钮 即可启动宏功能定制向导 4 保存文件 8 单击工具栏上的按钮或菜单 File Save As 保存文件 在工程视图中 如果没 有所需文件的图标 选中 Files 图标 单击右键后选择 Add Remove Files in Project 单击文件管理对话框中的按钮 找到所需文件后 单击按钮可将文件加 入工程 单击按钮可将文件移出工程 5 设置顶层实体 在工程视图中 选中顶层元件对应的文件的图标 单击右键后选择 Set as Top level Entity 将其设置为顶层实体 二 编译工程 单击工具栏上的按钮或者菜单 Processing Start Compilation 全程编译包括排错 网表文件提取 逻辑综合 适配 装配文件生成和时序分析 等 如果有错误 可双击错误条文 修改原理图或源程序 重新编译工程 三 分配引脚 单击工具栏上的按钮或者菜单 Assignments Pin Planner 分别单击各引脚 Location 列的单元格 输入相应的引脚编号 按回车键确认 分 配完引脚后 重新编译工程 9 四 下载 单击工具栏上的按钮或者菜单 Tools Programmer 如果显示 No Hardware 则需要安装下载器驱动 在桌面选中计算机图标 单击 右键 选中按钮 打开设备管理器 展开图标 找到未知设备 或者 Altera USB Blaster 图标 单击右键 选中按钮 单击按钮 找到 Quartus 安装目录下的 quartus drivers usb blaster 文件夹 即可安装驱动程序 在下载窗口 单击按钮 单击下 拉列表 找到 USB Blaster 选项 再单击按钮 如果驱动已经安装好 则打开实验箱电源 单击按钮 开始下载程序 当 Progress 进度条显示为 100 程序下载完成 五 运行 改变输入信号 观察实验系统的运行情况 如果与预期的逻辑功能不符 则需要 修改原理图或源程序 重新编译 分配引脚和下载 10 第三章 实验项目 实验 1 平台应用及全加器设计 一 实验目的 通过本次实验 掌握 Quaru II 的开发流程 学会多层次电路的设计方法 二 实验任务 设计一个一位全加器 实现加法计算 拨码开关 K8 K6 状态分别作为被加数 加 数和低位进位 求和结果送 2 个 LED 显示 三 实验方案 利用 Quaru II 集成的门元件 先设计半加器 再设计全加器 1 设计半加器 单击菜单 File Create Update 选择 Create Symbol Files for Current File 生成对应 的元件符号 2 设计全加器 将工程视图切换到 Files 标签 选中全加器原理图文件的图标 单击右键后选择 Set as Top level Entity 将其设置为顶层实体 3 开关电路 拨码开关 K8 K6 往上打引入高电平 往下打引入低电平 11 4 显示电路 LED 阴极接地 阳极接 74HC573 的输出端 5 引脚分配 四 实验测试 拨动开关 K8 K6 改变被加数 加数和低位进位 观察发光二极管显示的和与高 位进位 测试结果如下图所示 五 实验心得 12 实验 2 信号发生器设计 一 实验目的 通过本次实验 掌握宏功能模块设计的应用 学会信号发生器的设计方法 二 实验任务 设计一个信号发生器 输出周期为 128 秒的正弦波 数字量送 8 个 LED 显示 三 实验方案 50MHz 输入时钟分频后得到 1Hz 时钟 用 1 个 MIF 文件保存正弦波信号单周期 的 128 个样本点数据 用 1 个定制的 ROM 模块加载对应的 MIF 文件 地址总线由模 128 计数器提供 时钟为 1Hz ROM 输出的 8 位数字量送 8 个 LED 显示 1 显示电路 LED 阴极接地 阳极接 74HC573 的输出端 2 分频 对 50MHz 输入时钟进行分频 得到 1Hz 时钟 用来对正弦波 ROM 扫描 插入 lpm counter 定制模 50000000 的加法计数器 设置字宽为 26 其进位输出即 1Hz 时 钟 3 地址计数 对正弦波 ROM 提供地址计数 轮流输出各样本点数据 插入 lpm counter 定制 13 模 128 的加法计数器 设置字宽为 7 其计数输出送 ROM 的地址总线 4 正弦波 ROM 1 新建 MIF 文件 设置字数为 128 字长为 8 保存正弦波信号单周期的 128 个样本点数据 2 启动 MegaWizard Plug In Manager 定制 ROM 1 PORT 元件 设置字数为 128 字长为 8 导入 MIF 文件 5 引脚分配 四 实验测试 观察发光二极管显示的正弦波样本点的值 测试结果如下图所示 五 实验心得 14 实验 3 数字电压表设计 一 实验目的 通过本次实验 掌握电压测量原理 学会采样控制和数码管动态显示的设计方法 二 实验任务 设计一个数字电压表 可对 0 5V 电压进行测量 电压值送 2 位数码管显示 三 实验方案 利用 AD9280 对电位器提供的 0 5V 电压进行 ADC 转换 将数字量转换为电压 值 送 2 位数码管显示 1 电压采集电路 利用 AD9280 实现电压信号的模 数转换 2 显示电路 利用 2 位共阳极数码管 5621BS S 显示电压值 74HC573 驱动数码管的段码 A DP 2 个三极管 S8050 驱动数码管的位码 D1 D2 15 3 动态显示分频 50MHz 输入时钟分频后得到 1KHz 时钟 用来对数码管扫描 4 电压值转换 在 AD9280 的 ADCCLK 下降沿 读取转换结果 并转换为 0 0V 5 0V 电压值 理想 0V 5V 对应数字量 0 255 实际 0V 5V 对应数字量 126 231 设 ADC 转换 结果为 x 电压值为 y 126231 126 05 0 xy 21 126 x y 5 显示控制 引入多个进程 分别实现数码管位码更新 数码管段码更新为电压值整数位和小 数位 数码管显示译码 74HC573 输出允许 数码管位码输出 数码管段码输出和数 码管小数点显示 5 引脚分配 四 实验程序 16 数码管位码更新 always countscan 16 case countscan 16 1 b0 bit reg 2 b01 选中左数码管 1 b1 bit reg 2 b10 选中右数码管 endcase 数码管段码更新 always countscan 16 adtemp case countscan 16 1 b0 disp data adtemp 10 电压值整数 1 b1 disp data adtemp 10 电压值小数 endcase 五 实验测试 旋转电位器 观察数码管显示的电压值 测试结果如下图所示 六 实验心得 17 实验 4 数字频率计设计 一 实验目的 通过本次实验 掌握频率测量原理 学会级联计数和数码管动态显示的设计方法 二 实验任务 设计一个数字频率计 测量输入信号的频率 送 8 位数码管显示 三 实验方案 1 显示电路 利用 2 个 4 位共阴极数码管 HS420361K 32 显示频率值 2 片 74HC573 分别驱动 数码管的段码 A DP 和数码管的位码 COM1 COM4 2 动态显示分频 50MHz 输入时钟分频后得到 1KHz 时钟 3 频率测量分频 50MHz 输入时钟分频后得到 1Hz 时钟 4 频率测量 引入多个进程 分别实现频率测量允许 锁存和清零信号输出 频率值锁存 18 频率测量的控制信号时序如下图所示 需要单独建立程序文件 设计十进制加法计数器 引入基准时钟 计数清零和计 数使能信号 并输出 4 位计数值和进位输出信号 对十进制加法计数器进行 8 次元件例化 用来测量待测信号的频率 分别统计频 率值的个位 十位 百位 千位 万位 十万位 百万位和千万位 引入 6 个中间信 号 各计数器通过基准时钟输入信号和进位输出信号相互级联 5 显示控制 引入多个进程 分别实现数码管位码更新 数码管段码更新为频率值各位 数码 管显示译码 数码管段码和位码输出切换 6 引脚分配 四 实验程序 数码管段码和位码输出切换 always countscan 9 8 seg reg bit reg case countscan 9 8 2 h0 begin 19 SEG seg reg 段码送数据线 OE 1 b1 禁止输出 LED 1 b1 允许段码锁存 LEB 1 b0 禁止位码锁存 end 2 h1 begin SEG bit reg 位码送数据线 OE 1 b1 禁止输出 LED 1 b0 禁止段码锁存 LEB 1 b1 允许位码锁存 end 2 h2 2 h3 begin SEG 8 h0 数据线输入无效 OE 1 b0 允许输出 LED 1 b0 禁止段码锁存 LEB 1 b0 禁止位码锁存 end endcase 五 实验测试 改变分频电路中短路片的位置 观察数码管显示的信号频率值 测试结果如下图所示 六 实验心得 20 实验 5 交通灯控制器设计 一 实验目的 通过本次实验 掌握交通灯控制器的工作原理 学会减法计数和有限状态机的设 计方法 二 实验任务 设计一个交通灯控制器 控制两个方向的直行灯和左拐灯 各灯倒计时送 8 位数 码管显示 复位键 K6 往上打为优先通车模式 往下打为普通通车模式 三 实验方案 1 开关电路 拨码开关 K8 K6 往上打引入高电平 往下打引入低电平 2 交通灯显示电路 3 倒计时显示电路 利用 2 个 4 位共阴极数码管 HS420361K 32 分别显示两个方向的倒计时 2 片 74HC573 分别驱动数码管的段码 A