EDA技术及应用 课件 第6单元 基础设计

EDA技术及应用高等职业教育本科精品教材PART01单元1EDA概述PART02单元2VerilogHDL结构与要素PART03单元3VerilogHDL描述语句PART05单元5常用模块电路的VerilogHDL设计PART06单元6基础设计PART07单元7IP核的应用目录CONTENTSPART04单元4QuartusPrime设计基础PART08单元8综合设计PART06单元6基础设计6.1

LED灯流水设计6.2呼吸灯设计6.3静态数码管显示设计6.4动态数码管显示设计6.5交通灯设计6.1LED灯流水设计6.1LED灯流水设计LED流水灯设计是电子工程领域的经典入门项目,有助于初学者直观地理解硬件描述语言的基本原理,掌握时序控制的设计方法,并初步体验FPGA的强大功能。6.1.1设计任务使开拓者开发板上的4个LED灯顺序点亮并熄灭,循环往复,形成流水效果。发光二极管原理图如图61所示,LED0~LED3这4个发光二极管的阴极都接地(GND),阳极分别与FPGA相应的管脚相连。原理图中LED与地之间的电阻起限流作用。6.1LED灯流水设计6.1.2程序设计由于发光二极管的阳极与FPGA的管脚相连,因此只需要改变与LED灯相连的FPGA管脚的电平,即可控制LED灯的亮灭。当FPGA管脚为高电平时,LED灯点亮;为低电平时,LED灯熄灭。LED灯模块原理图如图62所示。6.1LED灯流水设计考虑到人眼的视觉暂留效应,流水灯状态变换的时间间隔不宜过短,通常不低于0.1s,否则人们将难以清晰地观察到流水效果。本设计中,我们将流水灯状态变换的时间间隔设置为0.2s,以确保其动态效果能够直观且清晰地呈现。在程序设计上,为了实现这一固定的时间间隔,需要引入一个计数器模块。该计数器通过对系统时钟信号累加计数,达到计时目的。当计数器累计值达到0.2s对应的时钟周期数时,将自动清零并重新开始计数,以此形成稳定的时间基准。每当计数器完成一次完整的0.2s计时,LED灯的发光状态便会相应地变化,从而实现流水灯的动态效果。6.1LED灯流水设计6.1.3仿真测试在ModelSim中对流水灯代码进行仿真,为了减少仿真过程所需要的时间,将流水灯状态变化的间隔时间修改为0.1ms。仿真波形如图63所示,LED端口寄存器的值按照0001→0010→0100→1000→0001的顺序变化,对应的各个LED灯的接口电平依次改变。6.2呼吸灯设计6.2呼吸灯设计呼吸灯早期应用于苹果笔记本电脑的睡眠状态提示功能,随后这一设计被广泛应用于各类电子产品中,尤其是在智能手机领域,呼吸灯已成为常见的状态指示与交互设计元素。呼吸灯采用PWM方式,在固定的频率下,通过调整占空比来控制LED灯亮度的变化。PWM即脉冲宽度调制,利用微处理器输出的PWM信号,实现对模拟电路的控制,广泛应用于测量、通信、功率控制等领域。在由计数器产生的固定周期的PWM信号下,如果占空比为0,则LED灯不亮;如果占空比为100%,则LED灯最亮。使占空比从0到100%,再从100%到0不断变化,就可以实现LED灯的“呼吸”效果。PWM占空比调节示意图如图64所示。由图64可知,LED高电平的时间由长渐渐变短,再由短渐渐变长,如果LED灯是高电平点亮,则会呈现亮度由亮到暗,再由暗到亮的过程。6.2呼吸灯设计6.2.1设计任务使用开拓者开发板上的LED实现呼吸灯的效果,即由灭渐亮,再由亮渐灭。6.2.2程序设计本设计的模块端口及结构框图如图65所示。6.2呼吸灯设计6.2.1设计任务使用开拓者开发板上的LED实现呼吸灯的效果,即由灭渐亮,再由亮渐灭。6.2.2程序设计本设计的模块端口及结构框图如图65所示。周期信号计数器用于产生驱动LED的脉冲信号,本次实验的周期信号频率为1kHz,其占空比由后级逻辑在每个周期之后进行递增或递减,最后再对当前计数值和占空比计数值进行比较,以输出占空比可调的脉冲信号。6.3静态数码管显示设计6.3静态数码管显示设计数码管是常用的数码显示器件,具有发光显示清晰、响应速度快、功耗低、体积小、寿命长、易于控制等优点,多应用于数显仪器仪表、数字控制设备。本节将介绍八段数码管的控制原理以及如何在数码管上显示变化的数字。数码管内部电路原理图如图66所示,从图66(a)可以看出,一位数码管的引脚是10个,其中7个引脚对应连接到组成“8”字的LED,dp引脚连接到数码管的小数点。生产商为了封装统一,单个数码管都封装成10个引脚,其中8和3为公共端引脚(图中com),连接在一起。公共端又可分为共阴极和共阳极,图66(b)所示为共阴极内部电路原理图,图66(c)所示为共阳极内部电路原理图。6.3静态数码管显示设计当多位数码管应用于某一系统时,为了减少数码管占用的I/O口,将其段选数码管的a、b、c等引脚连接在一起,而位选数码管的公共端独立控制。可以通过位选信号控制哪几个数码管亮。在同一时刻,位选选通的所有数码管上显示的数字始终一样,这是因为它们的段选连接在一起,送入所有数码管的段选信号都相同,数码管的这种显示方式叫作静态显示。还有一种静态显示方式是数码管的每一个码段都由一个单独的I/O端口驱动,其优点是编程较为简单,显示亮度较高;缺点是占用I/O端口较多,当数码管较多时,必须增加译码驱动器进行驱动,或使用串口转并口芯片来拓展端口。因此对于多位数码管来说,通常采用动态方式驱动数码管。6.3静态数码管显示设计6.3.1设计任务使用FPGA开发板上的6位数码管以静态方式依次显示000000、111111、222222至FFFFFF,结束后继续从000000开始计数,每0.5s变化一次。6.3.2程序设计根据任务要求和模块化设计的思想,需要一个静态数码管显示模块,以便在数码管上显示数据;需要一个计时模块,每当计时到0.5s时改变数码管显示的数值。系统的功能框图如图67所示。6.3静态数码管显示设计程序中各模块端口及信号连接如图68所示。6.3静态数码管显示设计态显示模块(seg_led_static),实现各模块之间数据的交互。计时模块将计时到0.5s时的标志信号flag传递给数码管静态显示模块,数码管静态显示模块接收到此信号时显示的数值增加1。计时模块(time_count):对系统时钟进行计数,当计时到给定值(此处指0.5s)时输出标志信号。数码管静态显示模块(seg_led_static):在数码管上以静态方式显示数值。6.4动态数码管显示设计6.4动态数码管显示设计静态驱动方式虽然简单易实现,但多位数码管显示时,会占用较多的硬件资源,且无法实现各个位显示不同数字的功能。例如要驱动6位8段数码管,以静态驱动方式让数码管各个位显示不同的数值,如“123456”,需要占用6×8=48个I/O口,对于FPGA中I/O口较多的芯片而言,在资源允许的情况下可以使用,但资源紧张时,一般采用动态驱动方式。要想更好地理解数码管的动态驱动方式,首先需要了解多位数码管的内部连接方式。以两位共阳极数码管为例,其内部连接方式如图69所示。两位8段数码管共有10个引脚。每位数码管的阳极连接在一起,构成共阳极结构。每位数码管相同段的LED阴极连接在一起。例如,两个数码管的段A的阴极连接到一个引脚,段B的阴极连接到另一个引脚,以此类推。对于这种内部连接的数码管,如果采用静态驱动方式,当给引脚9和10(阳极)高电平,同时给引脚3(段A的阴极)低电平时,两个数码管的段A都会点亮。因此,静态驱动无法实现两个数码管显示不同数字的功能。例如,无法直接显示“18”这种个位与十位不同的数字。为了使多位数码管显示不同数字,必须采用动态驱动(扫描驱动)的方式。其基本原理是通过分时复用,依次选中每个数码管,并在选中的时间内显示对应的数字。6.4动态数码管显示设计6.4动态数码管显示设计通过控制阳极引脚(引脚9和10)的电平,依次选中每个数码管。例如,先给引脚9高电平、引脚10低电平,选中第一个数码管;再给引脚9低电平、引脚10高电平,选中第二个数码管。在选中某位数码管后,通过控制阴极引脚(引脚1~8)的电平,显示对应的数字。例如,要显示数字“1”,只需点亮段B和段C;要显示数字“8”,则需点亮所有段(A~G)。通过循环依次选中每个数码管,并快速刷新显示内容,便可利用人眼的视觉暂留效应,使两个数码管看起来像是同时显示。扫描频率通常需要达到50Hz以上,以避免出现闪烁现象。6.4.1设计任务使用FPGA开发板上的6位数码管以动态方式从0开始计数,每100ms计数值增加1,当计数值从0增加到999999后重新从0开始计数。数码管接口部分的硬件设计原理及本设计中各端口信号的管脚分配与“静态数码管显示设计”内容相同,这里不再赘述。6.4动态数码管显示设计6.4.2程序设计根据任务要求和动态驱动的原理,需要设计一个能够在6位数码管上动态显示从0到999999的系统。为了实现这一功能,需要两个主要模块:数码管动态显示模块和计数控制模块。系统的功能框图如图610所示。程序中各模块端口及信号连接如图611所示。6.4动态数码管显示设计FPGA顶层(top_seg_led)例化了两个模块:计数模块(count)和数码管动态显示模块(seg_led),实现各模块之间数据的交互。计数模块将计数值通过data端口传递给数码管动态显示模块,使能信号en使能数码管显示数据,小数点显示信号point控制小数点的显示,符号显示信号sign可以让数码管显示负号。计数模块(count):显示的数字每100ms加1。数码管动态显示模块(seg_led):在数码管上以动态方式显示数值。6.5交通灯设计6.5交通灯设计交通灯是生活中常见的公共设施,在路口、斑马线等位置起疏导交通的作用。通过合理的信号控制,可以有效减少交通拥堵,提高道路通行效率,保障行人和车辆的安全。本节我们将使用交通灯模块来模拟和实现其功能,再现交通灯在实际场景中的工作过程。6.5.1设计任务使用开拓者开发板和外接的交通灯扩展模块再现交通灯的功能。设定一个周期内,红灯发光30s,绿灯发光27s,黄灯发光3s。以东西方向信号灯状态为例,红灯发光的时间等于黄灯与绿灯发光的时间和。一个完整的状态转换周期是红灯发光的时间的两倍,即60s。在东西方向红色信号灯发光的30s内,南北方向由绿灯切换到了黄灯;在南北方向红色信号灯发光的30s内,东西方向也由绿灯切换到了黄灯。因此将东西和南北方向信号灯同时保持在固定状态的时间段,划为一个状态。由此产生了循环往复的4个状态:东西方向红灯亮27s,南北方向绿灯亮27s,然后切换到状态2;东西方向红灯亮3s,南北方向黄灯亮3s,然后切换到状态3;东西方向绿灯亮27s,南北方向红灯亮27s,然后切换到状态4;东西方向黄灯亮3s,南北方向红灯亮3s,然后切换到状态1。6.5交通灯设计6.5交通灯设计以东西方向为例:一个周期内,红灯发光30s,绿灯发光27s,黄灯发光3s。那么在红灯发光期间,数码管上显示的数字要从29递减到0;同理,绿灯发光期间,数码管上显示的数字要从26递减到0;黄灯发光期间,数码管上显示的数字要从2递减到0。在交通灯扩展模块中,4个方向共使用12个LED灯,分别控制红、黄、绿3种颜色的信号灯。为了减少硬件资源的占用,将东西方向或南北方向颜色相同的LED灯并联在一起,这样只需要6个LED控制信号即可驱动12个LED灯。这种设计基于同一方向(如东西方向或南北方向)的LED灯的亮灭状态总是一致的规律,通过并联控制,显著减少了模块所需的控制信号引脚数量,从而简化了电路设计并降低了硬件成本。此外,模块中还包含4个共阳极数码管,分别对应4个路口,每个路口使用两位数码管显示当前状态的剩余时间。在十字路口,东西方向或南北方向的数码管显示的时间总是一致的。因此,以东西方向为例,这两个方向的数码管十位可以用同一个位选信号控制,个位用另一个位选信号控制。这样,仅需两个位选信号即可控制东西方向共4位数码管的亮灭,南北方向的数码管同理。6.5交通灯设计6.5.2程序设计交通灯控制模块将需要显示的时间数据连接到数码管显示模块,同时将状态信号连接到LED灯控制模块,然后通过数码管显示模块和LED灯控制模块驱动交通灯外设工作。交通灯系统框图如图613所示。各模块端口及信号连接如图614所示。6.5交通灯