VHDL作业题目2014(终稿)

1、VHDL作业1、写出消抖的程序，通过仿真或下载得出对应的波形，并分析。FPGA对于输入的信号一般都要经过消抖处理，以消除干扰信号。对于两个 设备之间的数据传输，这一点显得尤为重要。消抖一般通过记录脉冲的个数，对输入信号的尖峰宽度进行限制，达不到预 定的宽度，即认为是干扰，必须加以滤除，部分代码如下。因此，信号经过消抖 去除干扰信号以后，必然产生延迟，延迟时间与系统晶振频率以及计数脉冲个数 有关。例如：设系统晶振为 40MHz，消抖时间为 4个CLK，一个脉冲时间为 1/40M=25ns,所以信号延时为25*4=100ns,如图1所示。时眦LKUIIUL十-一 干扰尖峰 / n,丿 输入信号I

2、_ |_J U 1 IX /* *吗 延时 100ns_卜I消抖后的信号图1信号消抖示意图代码示例:(a)延时 4clkprocess (gclk,rst)-群信号消抖begi nif rst=1 thensig_out=0;elsif gclkevent and gclk = 1 thensig_0 = sig_i n;sig_1 = sig_0;sig_2=sig_i;sig_3 = sig_2;if (sig_3 = sig_2) and (sig_2 = sig_1) and (sig_1 = sig_0) and (sig_0 = sig_i n) the nsig_out = si

3、g_3;end if;end if;end process;仿真结果如图2:图2消抖程序仿真图(b)延时4msprocess (gclk)begi nif rst=1 thensig nal_out=0;psig nal二0;ppsig nal=0;sig nal_c nt=0;elsif (gclk=1) and (gclkevent) thenppsig nal = psig nal; psig nal = sig nal_in;if psig nal /= ppsig nal the nsig nal_c nt = 0;elsesig nal_c nt 159999 then 消抖时间为

4、 4ms-if sig nal_cnt 99 the nsig nal_out = psig nal;end if;end if;end if;end process;仿真结果；Ctamfle tnJwlanTMK 1WM FW100勒M304 n*40Q hb樂nWasTO 1 1 1 1 J. J 1 I 1 11 _LJ_l 1 1 1 L_iffel弭CfW1 Ll L 1 1 II 11 1 1. e 呷Itii.申曲 wm： 图3延时仿真图2、测试在不同主频、分频下逻辑处理上的不同，并分析。分频器是数字系统设计中的基本电路，根据不同设计的需要，我们会遇到偶 数分频、奇数分频、半整数

5、分频等，有时要求等占空比，有时要求非等占空比。 在同一个设计中有时要求多种形式的分频。 通常由计数器或计数器的级联构成各 种形式的偶数分频及非等占空比的奇数分频， 实现较为简单。但对半整数分频及 等占空比的奇数分频实现较为困难。本文利用VHDL硬件描述语言，可设计了一种能够满足上述各种要求的较为通用的分频器。现通过设计一个可以实现8.5分频，等占空比的17分频，2、4、& 16、32 分频，及占空比为1 : 8和4： 5的9分频等多种形式分频的分频器。分频器由带 使能端的异或门、模N计数器和一个2分频器组成，本设计用D触发器来完成 2分频的功能，实现方法是：将触发器的 Q反输出端反馈回输入端D

6、，将计数器 的一个计数输出端作为D触发器的时钟输入端。各功能模块的 VHDL语言实现 如下。1) .模N计数器的实现一般设计中用到计数器时，我们可以调用lpm库中的计数器模块，也可 以采用VHDL语言自己设计一个模 N计数器。本设计采用VHDL语言设计一个 最大模值为16的计数器。输入端口为：使能信号 en,复位信号clr和时钟信号 elk;输出端口为：qa qb、qc、qd。其VHDL语言描述略。2) .带使能控制的异或门的实现输入端为：xor_en：异或使能，a和b:异或输入；输出端为：c：异或输 出。当xor_en为高电平时，c输出a和b的异或值。当xor_en为低电平时，c输 出信号b

7、。其VHDL语言略。3) .分频(触发器)的实现输入端为：时钟信号clk，输入信号d;输出端为：q：输出信号a，q1: 输出信号a反。其VHDL语言略。以下是几种分频器的分析：偶数分频器频最易于实现，欲实现占空比为50%的偶数N分频，一般来说有两种方案：， 分频器的基础是计数器，设计分频偶数分 N/2-1时，将输出电平进行一次翻转， 同时给计数器一个复位信号，如此循环下去；二是当计数器输出为0到N/2-1时, 时钟输出为0或1,计数器输出为N/2到N-1时，时钟输出为0或1,计数器输图5偶数分频仿真结果图奇数分频器实现非50%占空比的奇数分频，如占空比为 20%、40%、60%、80%的5分频

8、器，可以采用类似偶数分频的第二种方案； 但如果实现占空比为50%的奇数 分频，就不能使用偶数分频中所采用的方案了。下面就以实现占空比40%的5分频分频器为例，说明非50%占空比的奇数分频器的实现。该分频器的实现对于我们实现50%占空比的分频器有一定的借鉴意义。一下是奇数分频仿真结果图0fi-1 化卸少3融uuU* 矗mijhzj血1图6占空比为40%的5分频仿真波形半整数分频器仅仅采用数字分频，不可能获得占空比为 50%的N+0.5分频，我们只可以设计 出占空比为(M+0.5)/(N+0.5)或者M/(N+0.5)的分频器，M小于N。这种半整数分 频方法是对输入时钟进行操作，让计数器计数到某一

9、个数值时，将输入时钟电平 进行一次反转，这样，该计数值只保持了半个时钟周期，因此实现半整数分频。图72.5分频仿真波形如上所述，占空比为50%的奇数分频可以帮助我们实现半整数分频，将占空 比为50%的奇数分频与待分频时钟异或得到计数脉冲，下面的代码就是依靠占空 比为50%的5分频实现2.5分频器的。仿真结果如图所示。:一4*1 _taJdIuWjMmMM ck.4r1.MaMj! ei._-dhr1_ faAajipdh rb,*d,lbAjiJAiikl* .a _fcAwirt0k_Wi小数分频器小数分频是通过可变分频和多次平均的方法实现的。例如要实现4.7分频，只要在10次分频中，做7次

10、5分频，3次4分频就可以得到。再如要实现5.67分频, 只要在100次分频中，做67 6分频，33次5分频即可。考虑到小数分频器要进 行多次两种频率的分频，必须设法将两种分频均匀。表1以2.7分频为例，小数部分进行累加，如果大于等于10，则进行3分频，如果小于10,进行2分频。仿真波形如图 所示，我们可以清楚的看到2.7分频的实现。按照占空比的定 义，该分频器的占空比应为10/27m! k分数分频器将小数分频的方法进行扩展，可以得到形如M*(L/N)的分数分频的方法，例如，2*(7/13)等于分母的，进行分频，只要在13次分频中，进行7次3分频, 6次2分频就可以得到。同样，为了将两种分频均匀

11、，将分子部分累加，小于分 母的，进行M分频，大于(M+1)分频。表2显示了 2*(7/13)的分频次序。仿真波形如图11所示。显然，该分频器的占空比为 13/33。图9 33/13分频器仿真波形积分分频器积分分频器用于实现形如 二的分频，例如8/3分频。我们当然可以使用上面N提到的分数分频的方法，但对于这种形式的分频，使用积分分频的方法综合往往 占用更少的FPGA资源。积分分频法基于下述原理：一个 m位的二进制数字每次累加N，假定累加x 次累加值最低 m位回到0，同时超过2my次，那么，当前累加的数字应该是Nx 2my ；每越过2m一次，最高位变化2 次,所以，累加x 次,最高位变化2y 累加

12、值为48,最低m位变回到0,同时越过16三次，最高位变化6次，由此得次，得到2y N分频的分频器，例如，取m为4，N为3，当累加16次时,到16/6=8/3分频的分频器。分频仿真结果如图所示。图10积分分频仿真波形3、写出异步串行通信的发送与接收程序，并分析 。异步串行数据传输具有设计简单、传输稳定等优点。其两个主要参数是波特 率和数据位格式。数据位格式又称帧格式，一般包含一个起始位（逻辑0），个终止位（逻辑1）以及校验位。在发送空闲时，总线一般处于逻辑1状态。这样当接收端检测到总线上由高到低的电平跳变，即认为是数据开始传输。波特率 是用来约定通信双方的通信速率， 一般通过对系统时钟进行分频来

13、实现，RS-232 协议中，常用的波特率有 115200 9600等，RS-422与RS-232原理基本相同， 只是在传输线路上，为了抗干扰，采用了差分方式。在FPGA应用领域，串行数据传输一般采用422总线。通过对系统晶振分 频，得到对应的波特率，比如对 40MHz经行4分频，得到10MBit的传输速率。 解码端会根据预先设定的波特率，对时钟进行分频，每隔相等时间读取总线上的 一位数据。流程如下：在检测到起始位低电平之后，接收端（即解码端）每隔一 位时间，采集总线上的电平，并写入移位寄存器中，直到将一帧数据全部接收， 然后判断校验位，如果正确，则接收、编帧，否则，丢弃。由于受温度等因素的影响

14、，晶振会产生误差，串行数据在传输过程中，可能 会受到干扰而产生毛刺。所以在一些对数据准确度要求比较高的场合，就得考虑串行数据传输的容错能力。对于这种情况，第一种方法通常会采取对总线上的一 位分别采集三次，比较得到的三个电平，进而得到该位可信度更高的值，如图2所示；第二种方法则会将电平的采集点放在每一位的靠近中间的位置，通过计算晶振的最大误差，则可以计算出系统的最大容错能力。设晶振误差5%,频率为 40MHz，1/40MHz=25ns,25*0.05=1.25ns设波特率为 4Mbit/s,所以对于 40bit 帧 的串行数据，累积误差最大会有 1.25*40*4*50%=100 ns,而比特位

15、宽只有100 ns, 所以有可能会发生错位。波特率9600 川 山_川丨丨口 川三次采样图ii多次采样减小误差示意图部分代码如下(a) 422串行发送process (pCIock, pReset)-惯组信号源控制主进程beg inif pReset = 1 the nch_ClearBusyFlag = 1;ch_tx = 1;ch_send_reg =0000000000000000000000000000000000000000;ch_st = 0;ch_clock_fp = 0;elsif (pClock=1) and (pClockeve nt) the nif ch_st = 0

16、then-监测有无数据发送if (ch_s_busy_flag = 1) the nch_send_reg = ch_send_buf;-读取要发送的数到寄存器 ch_ClearBusyFlag = 0;-置忙标志清零 ch_bit_co un ter = 0;ch_clock_fp = 0;ch_st = 1;elsech_st = 0;end if;elsif ch_st = 1 then-串行发送-0 - 57, 每位 57 个ch_clock_fp = ch_clock_fp + 1;时钟，共 12 位，1起始， 1 停止， 2空闲if ch_clock_fp = 1 thench_t

17、x = ch_send_reg(39 - ch_bit_counter); elsif ch_clock_fp = 2 thenif ch_bit_counter = 39 thench_tx = 1;ch_st = 0;-跳转到监测 busy 标志，等待发送下一个数elsech_bit_counter = ch_bit_counter + 1; end if;elsif ch_clock_fp = 3 then if ch_bit_counter = 5 then ch_ClearBusyFlag = 1;-忙标志清零结束，4个elk，希望前一进程不会监测丢失end if;end if;en

18、d if;end if;end proeess;(b) 422串行接收*-命令接收主控制进程 * 异步接收， 40 位proeess (gCloek_160, g_reset) -flag=1 时，串并转换完成， beginif g_reset = 1 thenflag = 1;elsif (gCloek_160=1) and (gCloek_160event) thenif ent = 180 then -161到180等待发送进程取走 send_buf中的 数去发送flag = 1;elsif rx = 0 thenflag = 0;end if;end if;end proeess;pr

19、ocess (gClock_160, g_reset)-160MHz 采样 40Mbps,每个位采样4个点，40个位cnt计数达到160beginif g_reset = 1 thensoft_reset = 0;cnt = 0;RcvBuf = 0000000000000000000000000000000000000000; tmp_data = 0000000000000000000000000000000000000000; REG_WR_PIPE_ADD = 1111111111111111;REG_ID = 1111111100000001;led_show=1;elsif (gC

20、lock_160=1) and (gClock_160event) then - led_show= not led_show;if flag = 1 thencnt = 0; verify = 0;elsif flag = 0 then cnt = cnt + 1;end if;if cnt =1 thentmp_data(0)=rx;elsif cnt =5 or cnt = 9 or cnt =13 or cnt = 17 orcnt = 21 or cnt = 25 or cnt = 29 or cnt = 33 or cnt = 37 or cnt = 41 or cnt = 45

21、or cnt = 49 or cnt = 53 or cnt = 57 or cnt = 61 or cnt = 65 or cnt = 69 or cnt = 73 or cnt = 77 or cnt = 81 or cnt = 85 or cnt = 89 or cnt = 93 or cnt = 97 or cnt = 101 or cnt =105 or cnt =109 or cnt =113 or cnt = 117 or cnt =121 or cnt =125 or cnt =129 or cnt =133 or cnt = 137 or cnt = 141 or cnt =

22、 145 or cnt = 149 or cnt = 153 or cnt = 157 then -先发高位verify = verify xor rx;tmp_data(0)=rx;for I in 1 to 39 looptmp_data(I)= tmp_data(I-1);end loop;elsif (cnt = 160) and (tmp_data(39) = 0) and (tmp_data(1) = 1)and (tmp_data(0) = 1) then-判断起始停止位RcvBuf = tmp_data;wr_ch_add = CONV_INTEGER(REG_WR_PIPE_

23、ADD(2downto 0);FCA = CONV_INTEGER(tmp_data(36 downto 29);CA = CONV_INTEGER(tmp_data(31 downto 29);RW = tmp_data(28);RA = CONV_INTEGER(tmp_data(27 downto 21);CMD = tmp_data(20 downto 5);elsif (cnt = 161) and (verify = 0) and (RcvBuf(38) = notRcvBuf(4) and (RcvBuf(37) = not RcvBuf(3) then 接收数据测试用后删除 R

24、cvFlag_change = not RcvFlag_change;RcvFlag = RcvFlag_change;- 接收数据翻转testch = tmp_data(31 downto 29); -接收数据通道显示 led_show= not led_show; if RcvBuf(38) = 0 then数据流，转发对应管道if (CONV_INTEGER(REG_WR_PIPE_ADD) 16) and(REG_WR_CH_BUSY(wr_ch_add) = 0) thensend_buf(wr_ch_add) = RcvBuf; REG_WR_CH_BUSY(wr_ch_add)

25、= 1;-相应通道置忙，不允许再写入end if;elsif RcvBuf(38 downto 37) = 11 then-解析命令if FCA /= 255 then-发送给 16 个通道的命令if (CA 16) and (REG_WR_CH_BUSY(CA) = 0) then-如果忙，将丢失此包，否则送给某个端口send_buf(CA) = RcvBuf; REG_WR_CH_BUSY(CA) when 1 =-立即执行if CMD=0000000011000000 then-resetsoft_reset REG_WR_PIPE_ADD REG_RD_PIPE_ADD if (por

26、t_busy = 0) thenport_send_buf = 010111111111 & RcvBuf(27 downto 21) & 111100000000111101011; -失败port_busy - read idif (port_busy = 0) thenport_send_buf = 0101111111100000000 & REG_ID & 01011;port_busy when 2 =if (port_busy = 0) thenport_send_buf = 0101111111100000010 & REG_WR_PIPE_ADD & 01011;port_b

27、usy if (port_busy = 0) thenport_send_buf = 0101111111100000011 & REG_RD_PIPE_ADD & 01011;port_busy if (port_busy = 0) thenport_send_buf = 0101111111100000100 & REG_WR_CH_BUSY & 01011;port_busy if (port_busy = 0) thenport_send_buf = 010111111110 & RcvBuf(27 downto 21) & 111101010000101001011;-失败port_

28、busy = 1;end if;end case;end if;end if;-解析命令完成*end if;elsif cnt 160 thenREG_WR_CH_BUSY = REG_WR_CH_BUSY and (00000000 & ClearSndFlag_16ch);-清除 16 个通道忙标志port_busy = port_busy and port_ClearBusyFlag; - 清除主通道忙标志 end if;end if;end process;仿真结果：4、写出PCM通信的发送与接收程序，并分析。PCM脉冲编码调制是将模拟信号转换成二进制数字信号的编码过程。在无线遥测系统

29、中，遥测采编器对多路模拟信号通过特定的顺序（帧结构）进行模数转 换采样，然后再将采得的PCM码并串转换，串行送至无线发射机发射。地面站 通过无线接收机接收。解码后的 PCM码是一个由二进制数构成的串行序列。地 面接收设备的主要任务是将串行 PCM码中的数据解调出来，这就需要根据PCM 码流中特定的同步码确定数据的起始位，在位信号变化时的上升沿（或下降沿） 把PCM码流的位同步信号分离出来，再通过串行数据到并行数据的转换把数据 并行输出。PCM码的串并转换分为三步，第一步是提取同步信号，第二步是提取帧同 步信号，第三步是根据已得到的位同步和帧同步完成字同步和串并转换。PCM码在发送以及接收（解码

30、）过程中，都会用帧同步和码同步对 PCM码 进行同步，有些还会用到路同步信号，如图 13所示。一般是PCM码接收端发 送同步信号（即帧同步、码同步和路同步）。PCM码发送端根据接收到的同步信 号输出PCM码，比如在码同步的上升沿或者下降沿给出数据，接收端则根据自 己发出的同步信号接收PCM码。在实际数据传输过程中，考虑到信号的延时， 一般发送端在码同步上升沿给出 PCM数据，接收端在码同步下降沿读取 PCM 数据，而帧同步一般用作帧复位，路同步用作字节复位，如图14所示。接收端接收到PCM数据后，一般要经过编帧，加上帧头、帧尾以及帧计数， 然后上传给计算机。计算机则将数据解包，提取出有用的信息

31、。图13 PCM码接收发送过程中的信号示意图发送端码同步接收端码同步图14同步信号示意图部分参考代码：(a帧同步、路同步、码同步信号的产生process(gclk, rst)分频得到码同步时钟，3.05008us x 2=6.10016us 要求是6.1035usbegi nif rst = 1 thengclk_c nt=0;gclk_3us=60 thengclk_c nt=0;gclk_3us= not gclk_3us;else gclk_cnt=gclk_cnt+1;end if;end if;end process;process(gclk_3us, rst) 帧同步、码同步、路同

32、步信号产生begin if rst=1 then f_ztb=0;f_ltb=1;f_mtb=0;cnt2=0;cnt1=0;pcm_state ztb 上升沿与 mtb 下降沿对齐，路同步延迟一个周期后，开始发送码同步f_ztb=1;f_ltb=0;if cnt1=4 thencnt1=0; pcm_state=pst1;elsecnt1=cnt1+1; pcm_statef_ztb=0;if cnt1=2 thenpcm_state=pst2; cnt1=0;elsecnt1=cnt1+1;pcm_statef_ltb=1;if cnt1=7 thenpcm_state=pst3; cnt

33、1=0;elsecnt1=cnt1+1;pcm_statef_ltb=0;f_mtb=1; 1pcm_statef_mtb=0; pcm_statef_mtb=1; 2pcm_statef_mtb=0; pcm_statef_mtb=1; 3pcm_statef_mtb=0; pcm_statef_mtb=1; 4pcm_statef_mtb=0; pcm_statef_ltb=1;f_mtb=1; 5pcm_statef_mtb=0; pcm_statef_mtb=1; 6pcm_statef_mtb=0; pcm_statef_mtb=1; 7pcm_statef_mtb=0;pcm_st

34、atef_mtb=1; 8pcm_statef_mtb=0;pcm_state f_mtb 保持低，再产生 3 个周期的 f_ltbf_ltb=0; 第 2个 f_ltbif cnt1=7 then cnt1=0; pcm_state=pst20;else cnt1=cnt1+1; pcm_state f_ltb=1;if cnt1=7 then cnt1=0; pcm_state=pst21;else cnt1=cnt1+1; pcm_statef_ltb=0;第 3 个 f_ltbif cnt1=7 thencnt1=0;pcm_state=pst22;elsecnt1=cnt1+1;pc

35、m_statef_ltb=1;if cnt1=7 thencnt1=0;if cnt2=127 then 循环 128 次，产生 128路 f_mtbcnt2=0;pcm_state=pst0;elsecnt2=cnt2+1;pcm_state=pst23;end if;elsecnt1=cnt1+1; pcm_state f_ltb=0; 第 4个 f_ltbif cnt1=7 then cnt1=0;pcm_state=pst24;else cnt1=cnt1+1; pcm_state f_ltb=1;if cnt1=7 thencnt1=0;pcm_state=pst3;elsecnt1

36、=cnt1+1; pcm_statepcm_state=pst0;end case;end if;end process;(b) PCM 码接收process (f_mtb, rst, f_ztb)beginif rst = 1 or f_ztb=1 thenq_state=q0;f_data=00000000;f_flagf_data(7)=not qun_afxd;f_flag=0; q_statef_data(6)=not qun_afxd; q_statef_data(5)=not qun_afxd;q_state f_data(4)=not qun_afxd;q_state f_da

37、ta(3)=not qun_afxd;q_state f_data(2)=not qun_afxd;q_state f_data(1)=not qun_afxd;q_state f_data(0)=not qun_afxd;f_flag=1; q_state q_state=q0; end case;end if;end process ;(c) PCM 码编帧process (gclk, rst)-数据编帧， 128 Byte 群信号 + 2Byte 转发信号(前 11位，后 5 位为 0) + 2Byte 帧计数 + 2Byte 帧标志beginif rst = 1 thenfifo_data = 00000000;b_state=b0; z_cnt=X0000; cnt3=0; f_flag_tmpf_flag_tmp=f_flag;if f_flag_tmp=0 and f_flag=1 thenb_state=b1;elseb_st