课程设计(基于FPGA的数码管十进制显示)

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书指导教师： 崔永俊 职称: 副教授2012 年 6 月 22 日目 录1、课程设计的目的 12、课程设计内容和要求 2.1、设计内容 2.2、设计要求 3、设计方案及实现情况 3.1、设计思路 3.2、工作原理及框图 3.3、各模块功能描述 3.4、仿真结果 3.5、试验箱验证情况 4、课程设计总结 5、参考文献 - 1 - 1 1 1 1 1 1 3 9 1011 121、课程设计的目的1）、学习操作数字电路设计实验开发系统，掌握数码管显示模块的工作原理及应用。2）、掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计方法。3）、学习掌握可编程器件设计的全过程。2、课程设计

2、内容和要求2.1、设计内容1）、学习掌握键盘控制模块、数码管显示模块的工作原理及应用；2）、熟练掌握VHDL编程语言，编写键盘控制模块的控制逻辑。2.2、设计要求1）、仿真所编写的程序，模拟验证所编写的模块功能；2）、下载程序到芯片中，硬件验证所设置的功能，能够实现十进制数的显示；3）、整理设计内容，编写设计说明书。3、设计方案及实现情况3.1、设计思路1）、键盘不断扫描，有按键按下则输出相应信号，并且发出使能信号给处理模块。 2）、处理模块对收到的信号进行判断，决定执行什么操作，对数据进行运算。 3）、对于数字键需要移位显示，功能键要考虑优先级判断，进行倒计时操作时要能对时钟信号分频自减。4

3、）、专门的程序段用来不断将当前数据各位求出，译码成显示内容输给数据选择模块。 5）、数据选择模块根据扫描电路选择信号将各位数字显示出来。3.2、工作原理及框图1、键盘原理键盘电路网络很像一台微缩的计算机，它拥有自己的处理器和在该处理器之间传输数据的电路，这个电路的很大一部分组成了键矩阵。键矩阵是位于键下方的一种电路网格。在所有的键盘（中，每个电路在每个按键所处的位置点下均处于断开状态。当您按下某个键时，此按键将按下了开关，从而闭合电路，使得少量电流可以通过。开关的机械作用会导致某种振动（称作回弹），处理器可以过滤掉这种振动。如果您按下某键并保 - 1 -持住，则处理器认为您是在反复按下该键。试

4、验箱上的键盘可以看做是8*4的矩阵键盘（虽然外部不是），8行由38译码器选择，所以有外部sel0-2三根线控制扫描。2、键盘中按键的判断对于键盘中有无键按下的判断是很重要的，具体判断如下：将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与行线相交叉的按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按

5、键。键盘扫描模块在时钟下不断将行置零，扫描列的状态，判断按键。3、键盘按键对应的编码4、数据处理键盘扫描模块检测到按键按下后，给下级发出使能脉冲，同时将按键信息给数据处理模块。根据按键不同进行不同处理。数字键按下时，要进行移位操作；加减键按下时要进行寄存操作；自加减键按下是要进行加减1操作；清零键按下时要进行全部清零；确认键按下时要进行计算操作或者倒计时操作。这就需要设立一些标志位来判断。计算采用一位BCD形式计算，进借位标志位辅助，这样比用实数计算后转BCD形式的电- 2 -路简单高效。处于倒计时模式时，引入外部时钟，内部分频后自减一操作。5、多路选择显示四个需要显示的数码管的值始终输入，通

6、过片选决定某一时刻那个值输出。选择信号即为扫描输出信号，因为数码管和键盘是共用一个扫描端。所以当扫描信号选中相应数码管时让对应值输出即可。6、整体电路结构框图图1.原理图框架3.3、各模块功能描述扫描模块：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY scan ISPORT(clk:IN STD_LOGIC;en:OUT STD_LOGIC;- 3 - -输入时钟 -有键按下时输出使能data:OUT STD_LOGIC_V

7、ECTOR(3 DOWNTO 0); -输出按键信息 slk:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -数码管选择端口 kin:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -键盘响应输入端口 END scan;ARCHITECTURE behave OF scan ISBEGINPROCESS(clk)VARIABLE pslk:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -扫描变量 VARIABLE p:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -按键信息变量 VARIABLE i:INTEGER RANGE

8、 0 TO 7; -扫描循环变量 VARIABLE rel:INTEGER RANGE 0 TO 300; -重复按键延时变量 VARIABLE int:STD_LOGIC; -按键中断变量 BEGINIF(clk'EVENT AND clk='1')THEN -500HZ的时钟信号上升沿触发 IF(rel=300)THEN -两次按键产生有效的最短时间，延时避免重复触发 rel:=rel;ELSErel:=rel+1;END IF;IF(i<=7)THEN -扫描信号为000111，8次循环扫描 slk<=pslk; -赋扫描值 int:=kin(0) A

9、ND kin(1) AND kin(2) AND kin(3); -按键输入任意位为0即引起中断 IF(int='0' AND rel=300)THENFOR j IN 0 TO 20 LOOP END LOOP; int:=kin(0) AND kin(1) AND kin(2) AND kin(3); IF(int='0')THEN -消抖后再次确认有键按下 rel:=0; p:=(pslk-1) & kin; -结合slk和kin的信息判断哪个键按下 CASE p IS -判断按键信息 WHEN "0001110"=>da

10、ta<="0000" -0 WHEN "0011110"=>data<="0001" -1 WHEN "0101110"=>data<="0010" -2 WHEN "0111110"=>data<="0011" -3 WHEN "1101110"=>data<="0100" -4 WHEN "1111110"=>data<=&qu

11、ot;0101" -5 WHEN "0001101"=>data<="0110" -6 WHEN "0011101"=>data<="0111" -7 WHEN "1001101"=>data<="1000" -8 WHEN "1011101"=>data<="1001" -9 WHEN "1101011"=>data<="1010&qu

12、ot; -10-NEXT WHEN "0001011"=>data<="1011" -11-LAST WHEN "1111011"=>data<="1100" -12-ENTER WHEN "1011110"=>data<="1101" -13-ESC WHEN "1101101"=>data<="1110" -14-A(+) WHEN "1111101"=>da

13、ta<="1111" -15-B(-) WHEN OTHERS=>NULL; END CASE; en<='1' -产生脉冲信号 END IF; ELSE - 4 - -在中断和最小按键间隔条件满足下对按键内容进行判断 -延时（避开抖动阶段）en<='0'END IF;pslk:=pslk+1;FOR j IN 0 TO 3 LOOPEND LOOP;i:=i+1;ELSEi:=0;END IF;END IF;END PROCESS;END behave;数据处理模块：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD

14、_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY eightbit ISPORT(data2:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); -按键信息输入 en2:IN STD_LOGIC; -使能脉冲接收 clk2:IN STD_LOGIC; -时钟信号，负责检查输入信号状态，分频倒计时 bit1:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);bit2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);bit3:OUT

15、STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);bit4:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);-对应四个需要显示的数码管需要显示的信息END eightbit;ARCHITECTURE behave OF eightbit ISPROCEDURE q_to_bit -子程序（数值转数码管显示码） (q:IN INTEGER; -需要显示的数值 SIGNAL bit0:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)IS -转换出来的数码管显示码 BEGINCASE q ISWHEN 0=>bit0<="0011111

16、1"WHEN 1=>bit0<="00000110"WHEN 2=>bit0<="01011011"WHEN 3=>bit0<="01001111"WHEN 4=>bit0<="01100110"WHEN 5=>bit0<="01101101"WHEN 6=>bit0<="01111101"WHEN 7=>bit0<="00100111"WHEN 8=>bi

17、t0<="01111111"WHEN 9=>bit0<="01101111"WHEN OTHERS=>bit0<="00000000"END CASE;END PROCEDURE q_to_bit;PROCEDURE x_to_y -子程序（四变量赋值） (x1:IN INTEGER; -赋值内容 x2:IN INTEGER;x3:IN INTEGER;- 5 -x4:IN INTEGER;y1:OUT INTEGER; -被赋值变量 y2:OUT INTEGER;y3:OUT INTEGER;y4:OU

18、T INTEGER)ISBEGINy1:=x1;y2:=x2;y3:=x3;y4:=x4;END PROCEDURE x_to_y;PROCEDURE add -子程序（十进制一位加法） (a:IN INTEGER; -被加数 b:IN INTEGER; -加数 c1:IN INTEGER RANGE 0 TO 2; -上级进位 z:OUT INTEGER; -和 c2:OUT INTEGER RANGE 0 TO 2)IS -下级进位 VARIABLE zz:INTEGER;BEGINzz:=a+b+c1; -被加数+加数+进位 IF(zz>9)THEN -大于10进位 c2:=1;z

19、z:=zz-10;ELSEc2:=0;END IF;z:=zz;END PROCEDURE add;PROCEDURE sub -子程序（十进制一位减法） (a:IN INTEGER; -被减数 b:IN INTEGER; -减数 c1:IN INTEGER RANGE 0 TO 2; -上级借位 z:OUT INTEGER; -差 c2:OUT INTEGER RANGE 0 TO 2)IS -下级借位 VARIABLE zz:INTEGER;BEGINzz:=a-b-c1; -被减数-减数-借位 IF(zz<0)THEN -差小于0借位 c2:=1;zz:=zz+10;ELSEc2:

20、=0;END IF;z:=zz;END PROCEDURE sub;BEGINPROCESS(clk2)VARIABLE q1,q2,q3,q4,p1,p2,p3,p4:INTEGER RANGE 0 TO 9:=0;-q为显示的数对应的四个位的值，p和q一一对应，用作加减法时存放被加数，被减数- 6 -VARIABLE c:INTEGER RANGE 0 TO 2:=0; VARIABLE r,n,a,b,e:BIT:='0'-进位，借位标志位BEGINIF(clk2'EVENT AND clk2='1')THEN -时钟信号上升沿触发检查端口状态 I

21、F(en2='1' AND e='0')THEN -使能信号有效，且重复屏蔽信号关闭时响应按键信息 CASE data2 ISWHEN "1100" => -按键为“enter”键，执行求结果，倒计时启动暂停功能 n:='0' -解除加减法待操作状态 IF(a='1')THEN -有加法则进行加法运算 a:='0' -加法标志位清零 add(q1,p1,0,q1,c); -被加数与加数求和 add(q2,p2,c,q2,c); add(q3,p3,c,q3,c);add(q4,p4,c,q

22、4,c);ELSIF (b='1')THEN -有减法则进行减法运算 b:='0' -减法标志位清零 sub(p1,q1,0,q1,c); -被减数与减数作差 sub(p2,q2,c,q2,c); sub(p3,q3,c,q3,c); sub(p4,q4,c,q4,c);ELSIF (r='0')THEN -没有加减法操作又不在倒计时状态则启动倒计时 r:='1'ELSE -否则为在倒计时状态，“enter”键功能为暂停 r:='0' END IF;WHEN "1110" => -按键为“

23、A（+）”键，执行加法功能 IF (r='0')THEN -不在倒计时状态，则（否则无效） a:='1' -加法标注位置1 b:='0' -减法标志位清零 n:='1' -待操作位置1 x_to_y(q1,q2,q3,q4,p1,p2,p3,p4); -被加数暂存 x_to_y(0,0,0,0,q1,q2,q3,q4); -显示清零 END IF;WHEN "1111" => -按键为“B（-）”键，执行减法功能 IF (r='0')THEN -不在倒计时状态，则（否则无效） a:=

24、9;0' -加法标志位清零 b:='1' -减法标志位置1 n:='1' -待操作位置1 x_to_y(q1,q2,q3,q4,p1,p2,p3,p4); -被减数暂存 x_to_y(0,0,0,0,q1,q2,q3,q4); -显示清零 END IF;WHEN "1010" => -按键为“next”键，执行自加1功能 IF (r='0')THEN -不在倒计时状态，则（否则无效） IF (n='0')THEN -不在加减号刚输入之后（否则无效） add(q1,1,0,q1,c); -加1 ad

25、d(q2,0,c,q2,c); add(q3,0,c,q3,c); add(q4,0,c,q4,c); END IF; END IF;- 7 -r为倒计时标志位，n为加减法待操作位，a为加法标志位，b为减法标志位，e为重复屏蔽位VARIABLE count:INTEGER RANGE 0 TO 500:=0; -倒计时分频计数变量WHEN "1011" => -按键为“last”键，执行自减1功能 IF (r='0')THEN -不在倒计时状态，则（否则无效） IF (n='0')THEN -不在加减号刚输入之后（否则无效） sub(q

26、1,1,0,q1,c); -减1 sub(q2,0,c,q2,c);sub(q3,0,c,q3,c);sub(q4,0,c,q4,c);END IF;END IF;WHEN "1101" => -按键为“esc”键，执行清零功能 IF (r='0')THEN -不在倒计时状态，则（否则无效） x_to_y(0,0,0,0,p1,p2,p3,p4); -寄存器，标志位清零 x_to_y(0,0,0,0,q1,q2,q3,q4);a:='0'b:='0'n:='0'END IF;WHEN OTHERS =&g

27、t; -按键为“09”，执行多位数据输入，移位显示 IF (r='0')THEN -不在倒计时状态，则（否则无效） n:='0' -解除加减法待操作状态 q4:=q3; -后一个数码管显示内容给前一个 q3:=q2;q2:=q1;q1:=CONV_INTEGER(date2); -第一位读取输入的数字 END IF;END CASE;e:='1' -重复屏蔽信号打开，防止重复触发 ELSIF (en2='0')THEN -使能脉冲过去后重复屏蔽信号关闭 e:='0'END IF;IF(r='1')T

28、HEN -在倒计时状态，执行每秒减1倒计时 IF(count<500)THEN -计500次一分频 count:=count+1; -未到500时累加 ELSIF(count=500)THEN -计到500时减1 count:=0; -计数清零 sub(q1,1,0,q1,c);sub(q2,0,c,q2,c);sub(q3,0,c,q3,c);sub(q4,0,c,q4,c);END IF;END IF;END IF;q_to_bit(q1,bit1); -将各位数值转成数码管显示码给输出 q_to_bit(q2,bit2);q_to_bit(q3,bit3);q_to_bit(q4,

29、bit4);END PROCESS;END behave;显示模块：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;- 8 -USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY choose ISPORT(slk2:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); number1:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); number2:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); number3:IN STD_L

30、OGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); number4:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); number:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); END choose;ARCHITECTURE behave OF choose IS BEGINPROCESS(slk2) BEGINCASE slk2 ISWHEN "000"=>number<=number1; WHEN "001"=>number<=number2; WHEN "010"=>number<=number3; WHEN "011"=>number<=number4;WHEN OTHERS=>number<="00000000" END CASE; END PROCESS; END behave;-扫描信号，用作选择 -各数码管要显示的内容-片选的数码管显示的内容-片选信号对应的多路选择器的选通规则-高四位数码管未用，选到是统一输出全暗3.4、仿真结果图2.扫