数字逻辑电路实践教程-基于FPGA和Verilog 课件 第7章 综合设计

第7章综合设计1.数字系统设计数字系统的构成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字逻辑电路。将功能单一的逻辑电路组合起来实现数据的存储、传送和处理等相对复杂的功能，则称为数字系统。数字系统从逻辑上可以划分为控制子系统（控制器）和数据子系统（数据处理器）。数字系统一般结构1.数字系统设计设计方法自底向上的设计方法设计者选择标准集成电路，采用类似“搭积木”的方式逐级向上构建高层单元，直到设计出满足自己需要的系统为止。自顶向下的设计方法

从顶层入手，将整个系统划分为多个子系统，每个子系统完成相应的功能，然后再对各个子系统进行分解，每个子系统由若干功能模块组成。自顶向下设计方法1.数字系统设计设计过程明确系统功能分析并列出具体、详细的功能要求，使设计要求具体化。总体设计对系统进行逻辑划分，用方框图的形式将各子系统或模块连接起来。详细设计借助状态机、时序图、ASM图等工具完成各输入/输出模块、数据子系统和控制子系统的设计，并进行验证，直到实现预定的逻辑功能为止。系统调试2.实例——数字秒表设计要求设计一款单行显示、可记录8道成绩且能够回看的数字秒表；时钟和闹钟功能做简化处理，切换到这两个功能时仅显示一个固定的时间。1.提供四个机械按键用于操作数字秒表，分别为：SPLIT_RESET（分段_复位）、RECALL（回看）、MODE（模式）、START_STOP（启动_停止）。如需扩展实现时钟和闹钟功能，可在校时和设置闹钟时复用其中的按键，如将SPLIT_RESET键定义为“选择”，在时、分、秒间切换，将START_STOP键定义为“设置”，用于修改数据。系统复位后默认为秒表模式，可通过MODE键进行循环切换，顺序为“秒表——时钟——闹钟”。2.实例——数字秒表设计要求2.选择百分秒为计时精度。计时器最长计时为1小时，最长时间显示为59ʹ59ʺ99，能显示已存入记录数或回看记录的序号，秒表显示宽度至少需要7位。系统采用8位数码管显示，该宽度可满足时钟和闹钟对显示位数的需求。为方便数据观察，将次高位数码管熄灭以隔开记录数和计时信息，时、分、秒、百分秒用点亮的小数点隔开。数字秒表显示格式2.实例——数字秒表设计要求3.秒表记录8道成绩，操作方式如下：（1）通过START_STOP键控制秒表在计时和暂停状态间切换。秒表暂停时，按SPLIT_RESET键秒表清零。（2）计时状态下，RECALL键无效，使用SPLIT_RESET键进行分段计时，最多记录8个数据，每按一次记录数加1，记满8个后再次按下该键，第8个数据被覆盖；暂停时，如存有记录，按RECALL键进入回看状态，显示第1条记录，连续按下RECALL键可逐条查看，查询到最后一条记录后，若继续查询则返回第1条；回看状态下，按SPLIT_RESET键清零。4.时钟、闹钟仅显示一个固定的数字，控制器中不用给出相应的控制信号。2.实例——数字秒表系统设计系统可划分为四个模块：输入模块、输出模块、数据子系统、控制子系统。数字秒表系统框图2.实例——数字秒表电路原理图2.实例——数字秒表顶层电路图3.设计题目——自动售票机总体要求设计一个自动售票机，该设备可售3元、4元、5元和6元四种票价的车票。投币口只接收1元、5元、10元、20元四种面值的纸币，投币操作可通过4个按键模拟；用5组数码管分别显示票价、票数、票款、投币和找零；提供“票价”“票数”“取消”“确定”4个功能键用于操作；用3个LED分别指示退币、出票及投币情况。自动售票机操作面板示意图3.设计题目——自动售票机基本功能1.购票流程按“选择票价、选择票数、投币、确认、出票”的顺序购票。通过“票价”键选择不同的票价，按“3-4-5-6”规律循环；允许最多购买5张车票，每按一次“票数”键，票数加1。设定好票价和票数后开始投币，每次投币金额累计。投入的钱币大于等于票款时，投币指示灯亮，不再接收新的钱币。按下确定键后“出票”指示灯亮，送出车票。2.票款不足当投入的钱币低于票款时，按“确定”键后，投币指示灯闪烁（1Hz），补足票款后出票。3.票款超额若投入的钱币超过票款时，找零处显示找赎的钱额，按下确认键后送出车票，退币LED亮，蜂鸣器发出声音提示用户取走票和零钱，表示完成找赎。4.取消交易按下取消键可取消交易，按钱数不足处理，退还全部钱币，“退币”LED亮。3.设计题目——自动售票机扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）1.超时取消开始购票后，如10秒内无操作且总币值不足票款时，自动售货机按钱数不足处理，退还全部钱币。2.原币值退还投币时记录投币面值，如取消交易按原币值退还，可利用数码管依序显示退出钱币或增设4个LED代表不同面值钱币，每退1张对应LED闪烁1次，直至全部退完。3.可购买往返票增设一个按键用于切换单程票和往返票选择，默认为单程票。切换至往返票后，票数修改为2，金额乘以2。3.设计题目——四人抢答器总体要求设计一个供4名选手参赛的抢答器。每位选手设有一个抢答按键、1个LED指示灯；主持人设有4个按键，分别为“开始”、“正确”、“错误”和“复位”；用4组数码管显示选手得分（可根据实验台资源设定记分位数），1个数码管用于显示答题者编号和倒计时。抢答器操作面板示意图3.设计题目——四人抢答器基本功能1.系统复位按下“复位”键后电路完成复位，所有数码管显示0，全部LED亮。2.抢答开始抢答由主持人发起，主持人按下“开始”键后抢答开始，选手抢答按键可用，计时屏及全部LED灯熄灭，计分屏显示上一轮成绩。3.数据锁存和显示功能。最先发出抢答信号的选手对应的LED灯点亮，其他选手LED不亮，计时屏显示抢答成功选手的编号，其他三组按键失效。4.计分功能主持人对答题结果进行评判，通过“正确”和“错误”键为答题者加/减分。3.设计题目——四人抢答器扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）1.抢答倒计时显示当主持人按下“开始”键后有3秒倒计时，选手进入准备状态，屏幕计时为0时方可抢答。如提前抢答，需扣除抢答者分数（需为选手设置一个基本分）。2.答题倒计时当选手抢答成功后，需要在规定时间内答完（如9秒），以倒计时方式显示，到达限定时间时，发出声响进行提醒。3.得分回看每轮答题结果存入存储器，答题结束后可回看每轮得分情况。4.声效可为倒计时、抢答成功、违规抢答、回答正确和错误等增加不同的声效，增强比赛气氛。3.设计题目——交通灯控制器总体要求设计一个十字路口的交通灯控制器。东西方向、南北方向各设1组交通灯，共6个LED（如资源允许可为对向增加相同数量指示灯，共12个），其中绿灯通行，红灯停止，黄灯过渡准备。东西方向、南北方向各设1个1~2位数码管，用于倒计时显示。另设1个人工干预键，1个复位键。交通灯示意图3.设计题目——交通灯控制器基本功能1.系统复位按下“复位”键后电路完成复位，所有数码管显示0，全部LED灭。2.自动控制复位释放后进入自动控制状态，红绿灯变化规律为：东西绿、南北红→东西黄、南北红→东西红、南北绿→东西红、南北黄，然后转为东西绿、南北红，开始下一轮循环。倒计时读秒器为全程显示，其中红灯等待时间为30秒，黄灯时间为3秒，绿灯时间为27秒。3.人工干预控制如有特殊情况可进行人工干预，按下“人工”键后，读秒器停止计数，东西、南北方向均为红灯状态。待特殊情况结束后，再次按下该键，读秒器恢复计数，红绿灯恢复原状继续工作。3.设计题目——交通灯控制器扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）1.车流感应检测用开关模拟车流情况，如按键按下表示车流量降低，可以将当前方向绿灯切换成红灯，交叉方向路口红灯切换成绿灯，以提高路口通行能力。2.采用12秒倒计时规则红灯倒计时到达12秒时，读秒器才会出现数字，否则黑屏。3.增加信号指示灯加入左转弯或行人信号灯指示。4.信号灯等待时间可调可以设置信号灯等待时长，以适应不同路况。5.声光效果绿灯剩余5秒时，用声音或指示灯闪烁进行提醒。3.设计题目——保险箱数字锁总体要求设计一个保险箱的数字锁控制器。该保险箱有12个按键（数字键0~9和功能键“#”和“*”），有3个指示灯L1、L2和L3用于辅助显示，一个蜂鸣器用于报警，1个4~8位显示用的数码管，1个开关用来模拟开关门。保险箱数字锁操作面板示意图3.设计题目——保险箱数字锁基本功能1.开保险箱待机状态下，按“#”键唤醒，输入4~8位个人密码，按“#”键确认。密码输入过程中，每按一次“*”键实现退格。如密码正确，指示灯L1亮，拨动开关模拟柜门打开，指示灯L2亮；如密码错误，指示灯L3亮，并发出报警信号，此时需重新输入密码。2.关保险箱拨动开关，模拟柜门关闭，输入正确密码，按“#”键，保险箱关闭，L1和L2同时灭。3.修改密码初始密码为“1234”，更换密码需要在保险箱打开的状态下修改。按下“*”键开始修改密码，输入4~8位新密码，按“#”键确认。按“*”键实现退格，可清除最后输入的数字。4.屏幕显示待机状态下，数码管各位均显示“8”或“-”。输入密码时数字显示在数码管最右侧，每输入一次，已输入信息左移一位显示，空位不显示。如有退格操作，每退格一次输入信息右移一位显示。3.设计题目——保险箱数字锁扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）1.丰富显示信息待机时数码管显示“HELLO”，保险箱打开显示“OPEN”，锁门后显示“CLOSE”，密码输入错误显示“ERR”，密码修改成功后显示“INTO”，报警状态显示“W”。各字母字形码定义可参考附录A。2.隐码功能待机状态下，按“#”激活密码输入，密码输入前按“*”键，切换到隐码状态，此时输入的数字均显示为“8”。3.错误报警密码连续三次输入错误，报警10秒钟，进入锁定状态，键盘按下无效，待2分钟后方可重新操作。4.限时操作按“#”激活密码输入，10秒内键盘解锁，可输入密码。超过后，数字键盘处于锁定状态，触动无效，需重新按下“#”。修改密码时如果10秒内未按键，退出修改状态（密码仍为旧密码），返回待机状态。3.设计题目——保险箱数字锁扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）5.修改密码二次确认修改密码需要重复输入两次新密码，一致后才可更新。6.虚位密码在密码前后增加一些无关码，提高防窥视功能，输入序列包含密码且连续出现就可以打开保险箱。如开锁密码为1234，虚位密码8位，输入××1234××，×为任意数字，按“#”键后打开保险箱。7.震动报警待机状态下按下“*”，再按“0”，启动震动报警功能，可通过开关模拟触发震动，报警10秒钟。8.省电模式保险箱在关闭状态下，如按键长时间未触碰，进入省电模式，显示屏熄灭。按下任意键，屏幕点亮。9.按键提示音各键按下时有提示音。3.设计题目——乒乓球游戏机总体要求设计一个模仿打乒乓球的电子游戏机。用8个排成一行的LED模拟乒乓球运动的轨迹，其中点亮的LED代表“球”当前位置。为左右两个选手各提供1个按键作为球拍，按下表示发球或击球；另提供2个按键用于复位和确定球权，2个LED显示发球权。用4个数码管显示每局比分（如11:3），2个数码管显示场比分（如3:0）。乒乓球游戏机操作面板示意图3.设计题目——乒乓球游戏机基本功能1.系统复位按下后电路完成复位，比分清零，所有数码管显示0，LED全灭，球权指示灯灭。2.游戏规则采用3局2胜制，每局为11分制，任何一方先记满11分获得一局胜利。比赛结束后发球/击球键无效。3.分配发球权每按一次切换发球权，获得发球权一方球台最外侧的LED点亮。比赛进行中该键按下无效。4.发球按下本方发球/击球键后，“球”以0.5秒左右的时间间隔向对方移动。5.接球接球方注意观察球的运动轨迹，当球运动到己方最近处时，应及时按下击球键，表示接球成功，球向相反方向移动，等待对方接球，若提前或错后击球判定为失球。6.失球接球失败，LED全灭，“球”消失，对方加1分，等待下一次发球。3.设计题目——乒乓球游戏机扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）1.增加功能键保持场比分不变，实现局清零；选手可交换场地并实现比分对换；可进行赛制选择；设置游戏难度，每按下一次提高相应速度，如在0.1~0.5秒间变化，实现“易—中—难”的循环变化。2.自动分配球权自动分配球权，每得2分交换球权；10平后实行轮换发球，每次只发1个球，多得两分一方本局获胜。3.可存储比分并进行回看比赛结束后，可以查看每局得分。4.单人模式可提供单人游戏模式，仅一侧可击球，“球”运行到对侧球台边时自动返回。5.声光效果失球、进入局点、进入赛点、获胜后有音效提示；获胜方数码管或LED点亮、闪烁等。6.增强显示利用VGA、OLED、LCD等显示方式显示各数据。3.设计题目——数字钟总体要求

设计一个具有时、分、秒计时的数字钟电路，用6~8位数码管显示时钟，提供选择、模式和设置3个按键作为操作键，其中模式键用来切换计时、校时和闹钟三个状态，1个LED显示闹钟开关状态，1个蜂鸣器显示音效。数字钟操作面板示意图3.设计题目——数字钟基本功能1.计时功能采用24小时制，数码管上显示时、分和秒，如083000表示8点30分。数字钟默认为计时状态。2.校时功能通过“模式”键进入校时状态后，可利用“选择”键选取小时、分钟、秒钟，并通过“设置”键调整时间。调整小时，每按一次“设置”键小时数加1，计数到23时返回0；调整分钟时，每按一次“设置”键分钟数加1，计数到59时返回0，但不向小时进位；调整秒钟时，按下“设置”键秒钟清零。3.闹钟功能通过“模式”键可进入设置闹钟状态，闹钟只考虑小时和分钟。设定的闹钟时间到达后发出闹铃音，闹铃时间为5秒。闹钟可屏蔽、可提前终止（复用或增加按键），用LED亮灭表明有无闹钟。3.设计题目——数字钟扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）1.整点报时每逢整点产生“嘀、嘀、嘀、嘀、嘟”四短一长的报时音，即59ʹ56ʺ、59ʹ57ʺ、59ʹ58ʺ、59ʹ59ʺ秒为嘀音，00ʹ00ʺ为嘟音，也可考虑不影响用户休息，21点至6点范围内取消报时。2.多组闹钟可设置多组闹钟，并能选择屏蔽任意闹钟。3.两种计时制能够修改计时格式，即12小时（能显示上午和下午）或24小时两种格式。4.增强校时功能选择校时对象后，对应数码管闪烁，以示对其进行设置；长按“设置”键可快速加1进行置数。3.设计题目——数字钟扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）5.日历功能可以显示年、月、日、星期等。6.定时器功能以设定时间为起点进行倒计时，至0:00ʹ00ʺ结束，发出声音提示，响时10秒。7.按键提示音各键按下时有提示音。8.其它功能如有温湿度检测、实时时钟等模块，可适当增加功能。3.设计题目——出租车计价器总体要求设计一款出租车计价器。用8位数码管分别显示等候时间、里程和计费。设置3个按键，分别为暂停、单程和启动。用4个开关和LED来模拟运营中的各种状态，对应LED亮表示已进入当前状态，其中开关S1用于切换“空车”和“有客”两种状态；S2用于切换“晚间”和“日间”时段；S3用于切换“高峰”和“非高峰”时段；S4用于切换是否收取低速等候费。出租车计价器操作面板示意图3.设计题目——出租车计价器基本功能1.计费规则3公里以内起步价为13元，超过3公里后单价为2元/公里；时速低于12公里为低速状态（可通过S4切换），早晚高峰期间（可通过S3切换）每5分钟加收2公里租价，其它时段加收1公里租价。2.空车和有客状态转换无乘客时开关S1应拨至左，指示灯亮，表示当前处于空车状态，可租用，显示屏全灭；载客后开关S1应拨至右，此时指示灯灭，显示屏点亮，“等候时间”、“里程”显示为0，“费用”显示起步价。3.启动运营按下启动键，进入计费状态，按计费规则计费，运行过程中可复用该按键调速。4.暂停计费在运营过程中按下暂停键，计价器暂停计费，可用于车辆故障、停车检查、租车结束等情况。3.设计题目——出租车计价器扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）1.将单价调整为2.3元/公里。2.空驶费单程载客行驶超过15公里部分，在单价基础上加收50%的费用，按下单程键可计算空驶费。3.夜间收费夜间运营时，在单价基础上加收20%的费用，通过切换开关S2模拟进入夜间时段。4.里程计算可通过电机、电磁或光电传感器模拟里程传感器，获取里程数据。5.增强显示利用OLED、LCD等显示方式显示各数据。6.按键提示音各键按下时有提示音。3.设计题目——洗衣机总体要求设计一个全自动洗衣机控制器。用2位数码管显示剩余时间、预约等候时间等。设置多个按键用来选择洗衣流程，如水位、程序、过程、预约等，操作过程中用LED亮来指示选项被选中。增加LED和开关等元件来模拟洗衣过程中的状况和事件，如用LED模拟洗衣过程中波轮的正反转、注水和排水状态，用开关模拟传感器信号，如机盖的关闭、水注满、水排空等状况。洗衣机操作面板示意图3.设计题目——洗衣机基本功能1.洗衣流程洗衣分为注水、浸泡、洗涤、漂洗和甩干5个步骤，可自定义各步所需时间。按下启动/暂停键后，洗衣机按步骤执行洗衣流程。如中途按下启动/暂停键，暂停当前的操作，再次按下该键才可继续运行。2.波轮控制用多个LED流水灯或电机的正转和反转模拟洗衣机波轮转动。3.机盖检测脱水过程中，若打开机盖，洗衣机应立即暂停，停止电机运转和排水；合上机盖，洗衣机继续工作。4.结束提醒洗衣结束后，蜂鸣器发出声音提示。5.显示信息选择不同洗衣程序时，数码管显示总的工作时间，启动后进入倒计时，数码管显示剩余时间。3.设计题目——洗衣机扩展功能（选择1项或多项进行扩展，也可自拟其它功能）1.模式选择除全自动洗衣模式外，可选择执行浸泡、洗涤、漂洗、脱水中的1个或多个相邻子程序。2.水位控制水位分为最高、高、中、低四挡，通过按动“水位”键逐次修改水位，注水过程中利用开关模拟发出水注满信号。3.预约功能设置完洗衣程序后，按预约键可进行预约，初始值为1分钟，每按一次时间加1分钟，设置完成后按下启动键进入开始倒计