(完整word版)2基于SOPC的彩灯控制器设计

1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称嵌入式系统课程设计_课题名称基于SOPC的彩灯控制器设计专业_ 电子科学与技术_班级_0000_学号_00_姓 名_指导教师_00000_2013年11月4日设计内容与设计要求设计内容：采用 SOPCSOPC 技术设计一个彩灯控制器；1 1、功能要求1)1)配置 NIOSNIOS IIII 软核系统；2)2)在基于 EclipseEclipse 的 NiosNiosn集成开发环境(IDE(IDE )上开发彩灯控制器3)3)至少实现 8 8 个 LEDLED , 3 3 种以上的花色。2 2、功能扩展自拟1.设计要求：1.1.设计思路清晰，给出整体设计框图2.2

2、.NIOSNIOS IIII 处理器选择配置合理；3.3.仿真、调试、验证电路模块；4.4.撰写设计报告。主要设计条件1.1. PCPC 机电脑；2.2. ED1ED1 SOPCSOPC 实验开发系统。说明书格式1 1、课程设计封面；2 2、课程设计任务；3 3、说明书目录；4 4、设计总体方案；5 5、系统基本原理分析；6 6、软件设计；7 7、系统调试；8 8、课程设计总结9 9、参考文献；1010、 课程设计成绩评分表。进度安排第一周星期一上午安排任务、讲课。星期一下午-星期二下午 查资料、设计 星期三开始软件设计仿真第二周星期三一一星期四1 1、调试验收2 2、 写课程设计报告书星期五

3、 答辩地点：嵌入式微处理器及 SOPCSOPC 实验室参考文献1、 SOPC 嵌入式系统基础教程 北京航空航天出版社出版2、 SOPC 技术与应用机械工业出版社3、 SOPC 技术实用教程 清华大学出版社4、 挑战 SOC -基于 NIOSII 的 SOPC 设计与实践清华大学出版社5、 NiosII 嵌入式软核 SOP（设计原理及应用 北京航空航天大学出版社6、 FPGA 与 SOPC 设计教程-DE2 实践西安电子科技大学出版社目录摘要.1第一章绪论. 21.1SOPC 概述.21.1.1功能简介.21.1.2 SOPC 对的发展过程 . 21.1.3 SOPC 的优势.31.2NIOS

4、II 工具基本模块介绍 .3第二章彩灯控制器的设计42.1设计要求 .42.1.1设计任务 .42.1.2设计内容 .42.1.3设计要求 .42.2设计思路 .42.2.1设计流程图 .42.2.2设计原理 .5第三章程序设定与分析 .53.1时序控制部分 .53.2发光二极管、数码管显示及扬声器控制程序63.2.1花型 A 显示程序 .63.2.2花型 B 显示程序 .6第四章 波形仿真分析 .74.1花型 A 波形仿真 .74.2花型 B 波形仿真 .84.3花型 B 波形仿真 .9心得体会 .11参考文献 .121摘要21 世纪，电子技术迅猛发展，高薪技术日新月异传统的设计方法正逐步退

5、出史的 舞台，取而代之的是基于 EDA 技术的芯片设计技术，它正在成为电子系统设计 的主流。大规模可编程器件现场可编程门阵列 SOP（和复杂可编程逻辑器件 CPLD 是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路。近年来,EDA 技术高速发展使现代电子产品向着功能多样化，体积最小化，功耗最低化的方向发展。它与传统电子产品在设计上的显著优势就是：第一大量使用大规模可编程逻辑器件，以提高产品性能缩小产品体积 降低功耗第二是广泛运用现代化计算机技术,以提高电子设计自动化程度，缩短开发周期，提高产品的竞争力。所以掌握这方面的应用极其重要，本题目就是基于SOPC 这一技术完成实现的。众所周知，彩灯、流水灯、装

6、饰灯等在日常生活和商业都有极其广泛的应用。 具有很高的商业价值和研究价值。而对于越来越变化多端要求极高的灯饰行业， 相对传统的单片机来说，SOPC 勺性价比越来越高，功能强大能轻松的完成对彩灯的控 制。本题目基于 SOP（技术设计彩灯控制器。初步实现 SOPC 技术在灯饰行业的简 单应用，为深入提供了一些有价值的参考资料。2第一章 绪论1.1SOPC 概述System-on-a-Programmable-Chip，即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC 可编程片上系统（SOPC 是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC，即由单个芯片完成整个系统的主 要

7、逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、 可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。1.1.1功能简介SOPC 设计技术涵盖了嵌入式系统设计 技术的全部内容，除了以处理器和 实 时多任务操作系统（RTOS 为中心的软件设计技术、以 PCB 和信号完整性分析 为基础的高速电路设计技术以外，SOPC 还涉及以引起普遍关注的 软硬件协同设 计技术。由于 SOPC 勺主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而 BGA 封装 已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的

8、要求。同时，新的 调试技术也已不断涌现出来，如 Xili nx 公司的片内逻辑分析仪 Chip Scope ILA 就是一种价廉物美的片内实时调试工具。1.1.2 SOPC 对的发展过程一直以来，在开发一个典型的系统时，设计人员仍不得不采用各种昂贵的，分立的模拟器件配合可编程逻辑器件或者混合信号的ASIC 作为解决方案.而SOPC 是具有所有这些属性的现成部件，利用它可以方便的选择器件来构成一个 系统,而且可以根据系统的需要对处理器的资源进行裁剪此外，由于各个器件之间通过总线的链接是自动生成的，这就大大缩减了系统的开发周期，也因此, 针对于特定器件 IP 核的设计以及 IP 核的重用成为 SO

9、P（技术的发展的关键.与 传统方法3相比,SOPC 的设计方法必须有根本的改变，即从以功能设计为基础的传 统流程,转变到以功能组装为基础的全新流程.1.1.3 SOPC 的优势SOPC 技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理 器系统,接口系统,硬件协处理器或加速器，DSP 系统,数字通信系统，存储电路以 及普通数字系统等，在单一可编程片上系统中实现，使得所设计的系统在规模，可靠性，体积,功耗,功能,性能指标，上市周期，开发成本，产品维护及其硬件升 级等多方面实现最优化,而这也是 SOPC技术发展的根本方向.目前 SOPC勺发展 趋势主要体现在以下四个方面：一是向更高密度，

10、更大容量的千万门系统级方向 迈进;二是向低成本，低电压,微功耗,微封装和绿色化方向发展；三是 IP 资源复 用理念将得到普遍认同并成为主要的设计方式；四是嵌入式处理器 IP 将成为SOPC 勺核心.1.2NIOS II工具基本模块介绍能够满足任何应用 32 位嵌入式微处理器的需要，客户可以将第一代 Nios 处理器设计移植到某种 NiosU处理器上，Altera 将长期支持现有 FPGAS列上 的第一代Nios 处理器。另外，Altera 提供了一键式移植选项，可以升级至 NiosU系列。NiosU处理器也能够在 HardCopy 器件中实现，Altera 还为基于 NiosU处理器的系统提供

11、ASIC 的移植方式。NiosU处理器具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环境(IDE)、 JTAG 调试器、 实时操作系统(RTOS 和 TCP/IP 协议栈。 设计者能够用 AlteraQuartusU开发软件中的 SOPC Builder 系统开发工具很容易地创建专 用的处理器系统，并能够根据系统的需求添加 NiosU处理器核的数量。使用 NiosU软件开发工具能够为 NiosU系统构建软件，即一键式自动生 成适用于系统硬件的专用 C/C+运行环境。NiosU集成开发环境(IDE)提供了 许多软件模4板，简化了项目设置。此外， NiosU开发套件包括两个第三方实时 操作系统(RT

12、OS-MicroC/OS-n(Micrium )， Nucleus Plus(ATI/Mentor )以及供网络应用使用的 TCP/IP 协议栈长期以来，Altera 一直推行嵌入式处理器战略的原因是，随着应用的ASIC开发日益受到成本的困扰，OEMB渐转向 FPGA 来构建自己的系统。这些系统中 绝大多数需要一个处理器，而 Altera 正是为设计者提供了为 FPGA 优化的灵活 的嵌入式处理器方案，可以满足 16 位和 32 位嵌入式处理器市场的需求。第二章彩灯控制器的设计2.1设计要求2.1.1设计任务基于 SOPC 勺彩灯控制器设计。2.1.2设计内容采用 SOP(技术设计一个彩灯控制

13、器；功能要求(1) 配置 NIOS II 软核系统；(2)在基于 Eclipse 的 NiosU集成开发环境(IDE )上开发彩灯控器。(3) 至少实现 8 个 LED 3 种以上的花色。2.1.3设计要求(1) 设计思路清晰，给出整体设计框图；(2) NIOS II 处理器选择配置合理；(3) 仿真、调试、验证电路模块；2.2设计思路2.2.1设计流程图5图 1-1 彩灯控制器的设计流程图222设计原理彩灯控制器的设计核心主要是分频器的使用，显示部分的设计较简易。分 频的方法有很多种，本次设计采用了其中较简易的一种，通过计数器的分频， 将控制器外接的频率分为几个我们预先设定的值。当计数器达到

14、预先设定的值，即产生一个上升沿，从而实现分频。扬声器通过不同的频率控制发出不同的声音。同样发光二极管和数码管的 显示速度也由其中分出来的一种频率控制（控制显示频率在14 之间为宜）。通过使能端的控制可以控制不同的数码管显示预先设定的图案，数码管依次显示 的图案为 AA BB CC 并随着发光二极管同步动态显示。AA 为自左向右显示，BB 为自右向左显示，CC 从二边向中间再由中间向二边发散显示。与此同时，显 示不同的花型时扬声器发出不同的声音，代表不同的花型。本次设计还带有复 位功能，通过复位可以使彩灯控制器恢复到最初的状态。第三章程序设定与分析3.1时序控制部分定义 4 个信号，cq,cll

15、k1,clk2,clk3。第一次分频，为 50 分频，当 elk 发生变化，使 a 从 000000 变化到 110010 时产生一个上升沿 clkl。如果 a 没有变 化到110010 则 a 继续自加，直到 110010 为止产生下一个上升沿。对 clk 进行 25 分频，6原理同上，产生信号 clk2 。对 clk 进行 8 分频，产生一个新的时钟脉 冲信号 clk3 。对 clk2 再进行一次分频，当 clk2 发生变化，并且变化为上升沿时， z 就加 1,直到加到为 20 时，s 就发生变化，加 1,每当 s 发生变化，加到 30 时，s 就 加 1。当 s从 00000 变化到 1

16、0111 时，就对 s 清零，从而实现数码显示管和发光 二极管的循环显示，以达到显示速度的要求。3.2发光二极管、数码管显示及扬声器控制程序3.2.1花型 A 显示程序当敏感信号 s 发生变化， 对数码管进行置位和置型， 0001000 也就是对相应 的数码管使之显示花型为 A， 通过对数码管使能端的置位， 控制显示的数码管显 示为 AA，并且发光二极管最右边显示为亮。当 S 每变化一次，数码管向左移动 一格，发光二极管也同步向左移动，每次只亮一个灯。当 s 变化到 00111 之后 执行下一段程序，同时扬声器发出声音。3.2.2花型 B 显示程序当敏感信号 s 发生变化至 01000 时，对

17、数码管进行置位和置型，0000011 也 就是对相应的数码管使之显示花型为 B,通过对数码管使能端的置位，控制显示 的数码管显示为 BB，并且发光二极管最左边显示为亮。当 S 每变化一次，数码 管向右移动一格，发光二极管也同步向右移动，每次只亮一个灯。当 s 变化到 01111 之后执行下一段程序，同时扬声器发出声音。当敏感信号 s 发生变化至 10000 时，对数码管进行置位和置型，1000110 也 就是对相应的数码管使之显示花型为 C,通过对数码管使能端的置位，控制显示 的数码管显示为 CC ，并且发光二极管最左边第一个和最右边第一个显示为亮。 当 S 每变化一次，数码管向中间移动一格，

18、发光二极管也同步中间移动，可以 看到由二边向中间移动再发散到二边的变化过程。当 s 变化到 10111 之后执行7再循环显示 A 花型，同时扬声器发出声音。第四章波形仿真分析4.1花型 A 波形仿真程序经过编译之后即可进行波形的仿真，为了方便观察显示结果，这里调 节仿真时间为 3us ,脉冲频率 elk 的周期为 5ns，复位信号暂且不进行仿真.执行 Quartus 软件中的 process in g- start simulatio n选即可观察到波形仿真图像。如下图所示为显示花型 AA 的仿真结果clr* ledTsl 10 ledfF.Ird7.ledTT.leF.+ IbdTTItdf

19、T. ladT. ledT. ledTF.ledTF.ItdfT.E m l eojimio j. loiiiioi i noiiioii mixiiii f naiioii louuoi 01111110 1口：TLrledT.1 1r1n_r厂Lltd?.,P,1i .iIftdT.1Lrledrr.1L._1Lj(L11_ _riJI-1t looooooi J；Q100001 a ftmmoiiODDOOIIDQCrj：DDCIliQOa OOIOOIDC *；CH DO口DID栄1CICIDIDQ01：-|- u_LrledL .s1L1 1l1LLLed.11 1L11 V.I1m

20、.rJ-Lrlad_.1 LLr1n n n n nn n n n nn n n i i1 u u n n n 1图 4-3 花型 C 的波形仿真图由图 4-3 可知当 elk 发生变化，来上升沿时，Ied7s1 为 1000110 即数码管 首先显示为花型 C 二极管按规定的显示，首先 led7s2 位 01111110 即最右边和 最右边的二极管亮灯，led_selout 为 10000001 即最右边和最左边的 2 个数码管 显示 2 个 C 的花型。当 elk 变化到规定次数时二极管的显示开始向中间移动， 数码显示管中的花型也向中间移动，然后再由中间向俩边移动。Led7s2 依次变 化

21、11011111101110011101111110， 实现二极管的向中间移动再向俩边移动；led_selout也依次变化 100000010001100010000001 实现数码显示管的向中间 再向俩边移动。同时当 clk 信号变化 8 次时产生一个上升沿 clk3 ，控制扬声器 发出声音。12心得体会 本次设计的是彩灯控制器的设计，当决定选这个课题的时候经过分析就知 道关键是计数器和分频器的使用，分频的方法有很多种，对于同一种功能的实 现，用 VHDL 可以采用多种方式进行描述，每种方式之间各有优劣，本次设计只 采用了其中较简单的一种，应尽量用最简洁的语言写出所需功能的程序。通过这次课程设计对EDA技术有了更进一步的熟悉，VHDL 语言和C语言等其他语言还是有很大的区别。VHDL 是 EDA 技术的重要组成部分，其具有与 具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和 系统描述的能力，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面，表现了强大的 生命力和应用潜力。其主要的也是最大的优点就在于设计者可以专心致力于其 功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精 力。在实际操作中发现设计和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个 简单的原理要把它应用以及和其他功能综合起来就有些困难。通