《数字逻辑电路基础》课件第8章

第8章综合设计开发示例8.1多数码管显示8.2交通信号灯控制器8.3键盘扫描8.4同步串型通信接口8.5语音合成器

8.1多数码管显示

8.1.1工作原理显示单元含有n个数码管，驱动电路中含有n个8位寄存器来保存所对应数码管各段的控制电平。静态显示是将n个寄存器与n个数码管直接相连，如图8.1所示，共需要8n个输出、8n+1个输入。该电路连接线太多，并且功耗也比较大。图8.1多数码管静态显示电路结构

动态显示是指分时轮流驱动数码管。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms。由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，只要轮流点亮的速度足够快,动态显示的效果和静态显示是一样的，同时能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

动态显示电路结构如图8.2所示。

图8.2动态显示电路结构

脉冲分配电路共有n个输出C1~Cn，分别用来控制数码管的COM端，每个低电平时长为2ms（时钟CP的周期为2ms），每个数码管的显示周期为2nms。若增加显示周期，可以增加计数值。数码管的控制输出和数据波形如图8.3所示。

图8.3数码管的控制和数据输出波形

8.1.2模块设计

为了方便书写和描述，以n=6，m=3的模块为例进行设计。

1.变量

1)输入变量

inputCP,G;

input[7:0]D;

input[2:0]A;

2)输出变量

utput[8:1]LQ;

output[6:1]C;

3)寄存器变量

reg[6:1]E,C;

reg[7:0]Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6;

reg[8:1]LQ;

reg[2:0]S;

2.数据锁存电路

锁存信号产生电路的输入为m个地址信号A0~Am-1，其输出为n个数据锁存信号E1~En。A0~Am-1所对应的锁存信号为高，其它锁存信号都为低。在锁存信号G上升沿锁存数据D。由于E1~En是中间量，并与A0~Am-1的值一一对应，所以程序中可以省略该中间量。

3.模6计数器

always@(CP)

S<=(S<3'd5)?S+3’d1:3’d0;

4.显示数据与控制输出电路

always@(S)

case(S)

0:{LQ,C}<={Q1,6'b111110};

1:{LQ,C}<={Q2,6'b111101};

2:{LQ,C}<={Q3,6'b111011};

3:{LQ,C}<={Q4,6'b110111};

4:{LQ,C}<={Q5,6'b101111};

5:{LQ,C}<={Q6,6'b011111};

default:{LQ,C}<={8'd0,6'b111111};

endcase

8.1.3仿真波形

多数码显示电路的仿真波形如图8.4所示。

图8.4仿真波形

为了保证数据稳定可靠地锁存，要求地址A和数据D在G的低电平内不能发生变化。波形中，前六个G的上升沿分别将数据0x23~0x28锁存到Q1~Q6中，而显示则在CP脉冲的控制下轮流显示。当第7个G的上升沿到达时，此时A=3、D=0x2E，Q4将数据锁存输出0x2E，在后续的显示数据LQ中，第4个数码管显示的数据为0x2E。

8.2交通信号灯控制器

8.2.1工作原理

1.系统结构十字路口的东西方向和南北方向均有绿灯、黄灯、红灯指示，并有一个颜色可控的两位数码管。数码管显示各灯剩余时间，绿灯亮时数码管为绿色显示，黄灯亮时数码管为黄色显示，红灯亮时数码管为红色显示。

整个交通控制系统结构如图8.5所示。

图8.5交通控制系统结构

2.操作流程

两个方向交通灯的变化规则如图8.6所示。

图8.6交通灯变化规则

3.状态图

电路由倒计时器组成，并由组合电路产生显示数据和颜色。倒计时器由模110减法计数器，状态S为0~109。输出C用来控制显示颜色，0表示东西绿灯亮、南北红灯亮，1表示东西黄灯亮、南北红灯亮，2表示东西红灯亮、南北绿灯亮，3表示东西红灯亮、南北黄灯亮。输出A和B分别为东西方向和南北方向数码管要显示的数值。

图8.7交通灯控制状态图

8.2.2模块设计

1.变量

1)输入变量

inputCP;

2)输出变量

output[5:0]A,B;

output[1:0]C;

3)寄存器变量

reg[5:0]A,B;

reg[1:0]C;

reg[6:0]S;

2.模计数器

always@(posedgeCP)

S<=(|S)?S-1:7‘d109;

3.控制信号产生

由于A和B均为6位，而S为7位，A和B值均由S产生，故会产生截位。

8.2.3仿真波形

图8.8交通灯控制仿真波形

8.3键盘扫描

8.3.1工作原理

1.电路结构键盘采用行列开关矩阵，m行n列的键盘如图8.9所示。若某键被按下，则该键所在的行与列导通。图8.9m行n列键盘的开关矩阵

键盘扫描是反复逐列进行的，共有n列，所以需要采用模n计数器来产生列序号。所有列中同时只能有一个为低电平，所以采用译码器对列序号进行译码来产生所要的列信号。

当键按下时m行中只有一个为低电平，其它均为高电平，所以可以用编码器来生成低电平所在行的序号，并产生有键按下的标志（低电平有效）。当有键被按下时，计数器停止扫描，直到键被松开。

其控制电路结构如图8.10所示。

图8.10键盘扫描控制电路

2.计数器

计数器的模为n，状态S为k位，k=élog2nù，即S={S0,S1,…,Sk-1}，有效状态为0~n-1。控制信号E为1时正常计数，E为0时停止计数。

状态转移如8.11所示。

图8.11键盘扫描计数器的状态图

3.译码器

译码器的输入为S={S0,S1,…,Sk-1}，输出为C1~Cn。

其真值表如表8.1所示。

4.编码器

编码器的输入为R1~Rm，编码有效输出为E，输出为Y={Y1,Y2,…,YL}，其中L=élog2mù。其功能真值表如表8.2所示。

8.3.2模块设计

以n=6、m=6为例。

1.变量

1)输入变量

inputCP;

input[6:1]R;

2)输出变量

output[6:1]C;

output[5:0]D;

outputE;

3)寄存器变量

regE;

reg[6:1]C;

reg[2:0]S,Y;

2.计数器

always@(posedgeCP)

if(E)S<=(S<3’d5)?S+3’d1:3’d0;

3.译码器

always@(S)

case(S)

0:C<=6'b111110;

1:C<=6'b111101;

2:C<=6'b111011;

3:C<=6'b110111;

4:C<=6'b101111;

5:C<=6'b011111;

default:C<=6'b111111;

endcase

4.编码器

always@(R)

case(R)

6'b0xxxxx:{E,Y}<={1’d0,3'd0};

6'b10xxxx:{E,Y}<={1’d0,3'd1};

6'b110xxx:{E,Y}<={1’d0,3'd2};

6'b1110xx:{E,Y}<={1’d0,3'd3};

6'b11110x:{E,Y}<={1’d0,3'd4};

6'b111110:{E,Y}<={1’d0,3'd5};

6'b111111:{E,Y}<={1’d1,3'd7};

endcase

5.数码输出

assignD={Y,S};

8.4同步串型通信接口

8.4.1工作原理

1.功能波形

SPI的接口有SCK、LE、MOSI、MISO四个信号，SPI有主次之分。对于主SPI，SCK、LE和MOSI为输出，MISO为输入；对于从SPI，SCK、LE、MOSI为输入，MISO为输出。

对于主SPI，启动发送后，LE变低，随后产生发送时钟SCK，同时将发送寄存器的数据逐位输出到MOSI上，同时锁存MISO上的数据。当SCK上输出规定数目的时钟后，不再产生时钟脉冲，并将LE变高。

对于从SPI，LE变低后，准备收发。当第一个时钟到达时，在规定的接收边沿对MOSI上的数据锁存到接收寄存器，在规定的发送边沿上将数据发送寄存器的数据逐位输出。

下面以8位数据收发器为例，其工作波形如图8.12所示。

图8.12SPI的工作波形

2.SPI波形产生机制

MOSI和MISO受控于LE和SCK，所以要先分析SCK和LE的产生。通过SCK和LE的波形可知需要采用如图8.13所示的18个状态S0~S17来产生。

图8.13SCK和LE波形关系

LE为一个状态位，SCK为一个状态位，由于SCK在LE为0期间是周期变化，所以将状态S的最后一位作为SCK。但在LE=0期间共有17个状态，所以状态S共有6位。状态分配如表8.3所示，产生该状态的时序电路的时钟CP的周期为SCK的周期的1/2。

时序电路状态的产生由启动信号ST=1时产生，其状态转移图如图8.14所示。

图8.14SPI时序电路状态图

在SCK的第一个时钟上升沿置数，将输入数据锁存在移位寄存器中，并在后续时钟的上升沿移位输出。MOSI的波形关系如图8.15所示。

图8.15MOSI的波形关系

置数信号的波形关系如图8.16所示。由于发送时第1个SCK的上升沿用来置数，所以在LE为高电平时LD被置位，当LD为低时，在第1个SCK的下降沿使LD变低。

图8.16置数信号与其它信号的波形关系

对于主SPI来说，MISO是输入，而对于从SPI来说，MOSI是输入，它们的的波形处理如图8.17所示，接收采用移位寄存器，每个时钟的下降沿锁存。

图8.17MOSI的波形关系

3.电路结构

SPI电路由主SPI和从SPI两种结构，如图8.18所示。

图8.18SPI的电路结构

8.4.2主SPI模块设计

1.变量

1)输入变量

inputCP,nRST,ST,MISO;

input[7:0]TD;

2)输出变量

outputSCK,LE,MOSI;

output[7:0]RD;

3)寄存器变量

reg[7:0]RD,SD;//SD为发送移位寄存器状态，RD为接收移位寄存器状态（也是输出）

reg[5:0]S;

regLD;

2.模n计数器

always@(posedgeCPornegedgenRST)

if(!nRST)S<=6'd32;

elseif(S<6'd17)S<=S+6’d1;

elseif(ST)S<=6'd0;

elseS<=6'd32;

3.发送控制

assign{LE,SCK}={S[5],S[0]};

always@(negedgeSCKorposedgeLE)

if(LE)LD<=1’d1;

elseLD<=1’d0;

4.数据发送

assignMOSI=SD[0];

always@(posedgeSCK)

if(LD)SD<=TD;

elseSD<={1’d0,SD[7:1]};

5.数据接收

always@(negedgeSCK)

RD<={MISO,RD[7:1]};

8.4.3从SPI模块设计

1.变量

1)输入变量

inputSCK,LE,MOSI;

input[7:0]TD;

2)输出变量

outputMISO;

output[7:0]RD;

3)寄存器变量

reg[7:0]RD,SD;//SD为发送移位寄存器状态，RD为接收移位寄存器状态（也是输出）

regLD;

2.发送控制

always@(negedgeSCKorposedgeLE)

if(LE)LD<=1’d1;

elseLD<=1’d0;

3.数据发送

assignMISO=SD[0];

always@(posedgeSCK)

if(LD)SD<=TD;

elseSD<={1’d0,SD[7:1]};

4.数据接收

always@(negedgeSCK)

RD<={MOSI,RD[7:1]};

8.4.4SPI仿真波形

1.主SPI工作波形

图8.19主SPI的工作波形

2.从SPI工作波形

图8.20从SPI的工作波形

8.5语音合成器

8.5.1工作原理

1.功能描述

每个汉字的发音时间为256ms，话音采用8位DAC进行转换，转换时钟为8KHz，因此每个汉字需要16384比特的存储空间。生成话音时，每125us从存储空间读取8比特。故汉字语音数据的存储位宽为8比特，每个汉字占用2048个地址。

每个汉字字符采用16位的UNICODE编码，编码值范围为0x4e00~0x9fa5，共有20902个汉字。所有汉字的话音数据以字符编码值从小到大顺序保存，汉字语音数据存储位宽为8比特，共需要42807296个地址。

2.原理电路

整个控制电路主要实现字符的读取和话音数据的读取及DAC发送。为了保证话音输出的连续，每个时钟都向DAC发送数据。控制电路通过发送读信号从FIFO读数据，FIFO的空标志作为数据指示信号，若FIFO为空，不再读取数据。读取数据后，计算该字符所对应的语音数据存储单元首地址，并不断从语音存储器中连续读取2048个存储数据。

图8.21原理电路

3.控制波形

1)控制单元与DAC之间的接口波形

DAC的锁存信号CLK和输入数据VD之间关系如图8.22所示，每个时钟的上升沿数据变化，同时DAC锁存数据。一个字符的语音数据共需2048个时钟传输。

图8.22DAC控制波形

2)控制单元与语音存储器之间的接口波形

语音存储器有26位地址线A25~A0和8位数据线D7~D0，其中A10~A0从0变化到2047，每2048个变化后A25~A11才会变化一次，有效地址输出后有效数据才会输出。

图8.23控制单元与语音存储器之间的接口波形

3)控制单元与FIFO之间的接口波形

FIFO在读信号nFR有效时，16位数据线FD15~FD0上输出数据，nFR无效时数据线处于高阻态。若一次计数循环结束时FE为0（有数据），nFR则产生低电平脉冲。当nFR变高时将FD上的数据锁存。

图8.24控制单元与FIFO之间的接口波形

4)接口之间的信号关系

（1）DAC的CLK、存储器的A10~A0、FIFO的读信号nFR之间关系如图8.25所示。

图8.25CLK、A10~A0和nFR之间关系

（2）DAC的数据VD、存储器数据D和FIFO的数据FD之间的关系如图8.26所示。

图8.26VD、D和FD之间的关系

5)信号产生关系

以CLK为输入时钟构成模2048的加法计数器，时钟状态作为存储器的地