eda課程設(shè)計報告

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文檔簡介

1、　　課程設(shè)計實驗報告　　模塊名稱 EDA 　　專業(yè) 通信工程 　　學生班級 　　學生學號

2、 　　一、矩陣鍵盤按鍵的數(shù)碼管顯示 　?。ㄒ唬嶒災康?lt;/b>　　(1)掌握VHDL語言的語法規(guī)范，掌握時序電路描述方法　　(2)掌握多個數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示的原理及設(shè)計方法

3、　?。ǘ嶒瀮x器　　PC機，ALtera CPLD硬件實驗開發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計軟件（Quartus II ）　?。ㄈ嶒炄蝿?lt;/b>　　要求設(shè)計出4*4矩陣鍵盤對某一按鍵按下就在數(shù)碼管顯示一個數(shù)字。按鍵從左上角到右下角依次為1，2，…，16。<

4、;/p>　?。ㄋ模嶒炘?lt;/b>　　按鍵模塊原理　　鍵盤掃描的實現(xiàn)過程如下：對于4×4鍵盤，通常連接為4行、4列，因此要識別按鍵，只需要知道是哪一行和哪一列即可，為了完成這一識別過程，我們的思想是，首先固定輸出4行為高電平，然后輸出4列為低電平，在

5、讀入輸出的4行的值，通常高電平會被低電平拉低，如果讀入的4行均為高電平，那么肯定沒有按鍵按下，否則，如果讀入的4行有一位為低電平，那么對應的該行肯定有一個按鍵按下，這樣便可以獲取到按鍵的行值。同理，獲取列值也是如此，先輸出4列為高電平，然后在輸出4行為低電平，再讀入列值，如果其中有哪一位為低電平，那么肯定對應的那一列有按鍵按下。　　鍵盤鍵值的獲取:鍵盤上的每一個按鍵其實就是一個開關(guān)電路，當某鍵被

6、按下時，該按鍵的接點會呈現(xiàn)0的狀態(tài)，反之，未被按下時則呈現(xiàn)邏輯1的狀態(tài)。掃描信號由row進入鍵盤，變化的順序依次為1110-1101-1011-0111-1110。每一次掃描一排，依次地周而復始。例如現(xiàn)在的掃描信號為1011，代表目前正在掃描9,10,11,12這一排的按鍵，如果這排當中沒有按鍵被按下的話，則由column讀出的值為1111；反之當9這個按鍵被按下的話，則由column讀出的值為1110。<

7、p>　　根據(jù)上面所述原理，我們可得到各按鍵的位置與數(shù)碼關(guān)系如表所示：　　動態(tài)顯示原理　　為使得輸入控制電路簡單且易于實現(xiàn)，采用動態(tài)掃描的方式實現(xiàn)設(shè)計要求。動態(tài)掃描顯示需要由兩組信號來控制：一組是字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口輸出的控制信號，用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，稱為

8、位碼。　　各位數(shù)碼管的相同段是并聯(lián)的，段碼的輸出對各位數(shù)碼管來說都是相同的。因此在同一時刻如果各位數(shù)碼管都處于點亮狀態(tài)，6位數(shù)碼管將顯示相同的字符。若要各位數(shù)碼管能夠顯示出與本位相應的字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位處于點亮狀態(tài)，而其它各位處于滅燈狀態(tài)。同時，段碼輸出相應位要顯示字符的字型碼。這樣在同一時刻，只有選通的那一位顯示出字符，而其它各位則是熄滅的，如此循環(huán)下去，就

9、可以使各位數(shù)碼管顯示出要顯示的字符。　　雖然這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而且同一時刻，只有一位顯示，其它各位熄滅，但由于數(shù)碼管具有余輝特性和人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位數(shù)碼管顯示間隔足夠短，給人眼的視覺印象就會是連續(xù)穩(wěn)定地顯示。　　總之，多個數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，是將所有數(shù)碼管的相同段并聯(lián)在一起，通過選通信號分時控制各個數(shù)碼管的公共端，循環(huán)點亮多個數(shù)碼管，

10、并利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，只要掃描的頻率大于50Hz，將看不到閃爍現(xiàn)象。　?。ㄎ澹┰O(shè)計思路　　該程序可分為兩個模塊：獲取并存儲鍵值模塊和動態(tài)顯示模塊　　獲取并存儲鍵值模塊：此次實驗只要求仿真而不需要接硬件，因而不存在按鍵這個動作，所以鍵盤掃描原理在這里并不適用。在程序設(shè)計中我

11、們將row和column都設(shè)置為輸入信號，則低電平出現(xiàn)的行和列所交處即為按鍵處，以此簡單模擬按鍵。根據(jù)上表所列，將對應按鍵的鍵值存儲在key_code中。這樣就完成了鍵值的存儲。　　動態(tài)顯示模塊：此次實驗只需用到兩個顯示數(shù)碼管，因此只要用一個高頻時鐘信號控制這兩個數(shù)碼管交替亮滅，并在對應位顯示正確的鍵值，就完成動態(tài)顯示了。　　綜上就可以實現(xiàn)矩陣案件的數(shù)碼

12、管顯示了。具體流程圖如下：　?。┯布崿F(xiàn)　　以上步驟都完成后，在硬件上實現(xiàn)就比較簡單了。此時要注意兩個問題：第一，時鐘頻率的設(shè)置，在仿真時由于沒有外在時鐘源，所以把row和column都設(shè)置為手動輸入，但當在硬件上實現(xiàn)時要采用實驗板上的低頻時鐘源，并設(shè)計分頻電路提供合適的時鐘頻率。這就需要對程序做相應的修改；第二

13、，管腳號的編寫，根據(jù)各實物圖紙標號和ATF1508的對應關(guān)系編寫對應管腳號。　　接下來要做的就是硬件連接，然后就是下載程序。程序通過編譯后生成*.pof文件，用quartusII軟件先刪除再下載。如果下載成功的話，就能實現(xiàn)從左上到右下按鍵分別顯示數(shù)字1-16。　?。ㄆ撸└戒洠╒HDL源程序）　　LIBRARY i

14、eee ;　　USE ieee.std_logic_1164.all ;　　USE ieee.std_logic_unsigned.all ;　　--顯示模塊　　ENTITY key IS&l

15、t;b>　　PORT ( 　　clk: IN STD_LOGIC;--40M高頻時鐘，也可以接低頻時鐘，看數(shù)碼管顯示的情況　　led_out : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); --數(shù)碼管8段顯示，可顯示--0~9，A~F　　led_sel : bu

16、ffer STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);--選擇6個數(shù)碼管，‘1’點--亮對應數(shù)碼管　　row : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);--行列式鍵盤的4行　　column : in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)--行列式鍵盤的4列

17、　　) ; 　　END key ;　　ARCHITECTURE Behavior OF key IS　　SIGNAL clk_temp :STD_LOGIC; --分頻后的電路時鐘

18、輸出,掃描時鐘　　SIGNAL clk1_temp : STD_LOGIC; --分頻后的電路時鐘輸出，顯示時鐘　　SIGNAL data :STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);--數(shù)碼管要顯示的數(shù)0~15表示1~16　　SIGNAL led_sel_count

19、:STD_LOGIC;--用于選擇第5個和第6個數(shù)碼管，分別用1和0代表　　SIGNAL div_cnt : std_logic_vector(1 downto 0);--行掃描驅(qū)動　　SIGNAL scan_key : std_logic_vector(3 DOWNTO 0); --掃描碼寄存器 <

20、p>　　signal key_code:integer range 0 to 16;　　signal cnt:std_logic_vector(2 downto 0);　　signal state:integer;　　begin 　　row <

21、;= scan_key;　　--data <= key_code;　　-------------------------------10分頻電路-----------------------------------------------------------------------　　PROCESS

22、(clk)　　VARIABLE counter: std_logic_vector(10 downto 0);--計數(shù)寄存器，10分頻　　BEGIN　　IF (clk'EVENT AND clk ='0') THEN --下降沿有效

23、;　　counter := counter +1 ;　　IF (counter = "10000000000") THEN　　clk_temp <= NOT clk_temp; --分頻后的時鐘變化　　END IF;<

24、;/p>　　END IF;　　END PROCESS;　　------------------------------7分頻電路-----------------------------------------------------------------------

25、　　PROCESS(clk_temp)　　VARIABLE counter: std_logic_vector(7 downto 0);--計數(shù)寄存器，7分頻　　BEGIN　　IF (clk'EVENT AND clk ='0')

26、 THEN --下降沿有效　　counter := counter +1 ;　　IF (counter = "10000000") THEN　　clk1_temp <= NOT clk1_temp; --分頻后的時鐘變化

27、　　END IF;　　END IF;　　END PROCESS;　　----------------------- 行掃描驅(qū)動-----------------------------------------------------------------

28、------------　　PROCESS(clk_temp)　　BEGIN　　IF(clk'EVENT AND clk = '0')THEN　　div_cnt <= div_cnt + 1; &l

29、t;/p>　　END IF;　　END PROCESS;　　----------------------------------------------------------------------------------------------------------

30、;　　PROCESS(div_cnt)　　BEGIN　　CASE div_cnt IS　　WHEN "00"=> scan_key<="1110";　　WHEN

31、 "01"=> scan_key<="1101";　　WHEN "10"=> scan_key<="1011";　　WHEN "11"=> scan_key<="0111";&

32、lt;p>　　WHEN OTHERS=>NULL;　　END CASE;　　END PROCESS;　　-------------------------------按鍵-----------------------------------------------

33、　　PROCESS(clk)　　BEGIN　　IF(clk'EVENT AND clk='1')THEN　　CASE scan_key IS --檢測何處有鍵按下

34、WHEN "1110" =>　　CASE column IS　　WHEN "1110" =>　　key_code <=1; 　　WHEN "1101" =>

35、　　key_code <= 2; 　　WHEN "1011" =>　　key_code <= 3; 　　WHEN "0111" =>　　key_code <=4;

36、 　　WHEN OTHERS =>　　NULL;　　END CASE;　　WHEN "1101" =>　　CASE co

37、lumn IS　　WHEN "1110" =>　　key_code <=5; 　　WHEN "1101" =>　　key_code <=6; 　　WH

38、EN "1011" =>　　key_code <= 7; 　　WHEN "0111" =>　　key_code <= 8; 　　WHEN OTHERS =><

39、;p>　　NULL;　　END CASE;　　WHEN "1011" =>　　CASE column IS　　WHEN "1110" =>

40、　　key_code <= 9; 　　WHEN "1101" =>　　key_code <= 10; 　　WHEN "1011" =>　　key_co

41、de <= 11; 　　WHEN "0111" =>　　key_code <= 12; 　　WHEN OTHERS =>　　NULL;

42、;　　END CASE;　　WHEN "0111" =>　　CASE column IS　　WHEN "1110" =>　　key_code <= 13; </p

43、>　　WHEN "1101" =>　　key_code <= 14; 　　WHEN "1011" =>　　key_code <= 15; 　　WHEN "

44、0111" =>　　key_code <= 16; 　　WHEN OTHERS =>　　NULL　　END CASE;

45、　　WHEN OTHERS =>　　key_code <= 15; 　　END CASE;　　END IF;　　END PROCESS;<p&g

46、t;　　---------------------------顯示------------------------------　　process (clk)　　variable count :integer range 0 to 6000;　　begin

47、　　if(clk'event and clk='1') then　　if count=6000 then　　cnt<=cnt+1;　　count:=0;　　else&

48、lt;/b>　　count:=count+1;　　end if;　　end if;　　end process;　　-----------------

49、----------位顯示--------------------------　　process(cnt)　　begin　　if(key_code<10)then　　led_sel<="11111110&quo

50、t;; state<=key_code-(key_code/10)*10;　　else　　case cnt is　　when "000" => led_sel<="11111101"; state<=key_co

51、de/10;　　when "001" => led_sel<="11111110"; state<=key_code-(key_code/10)*10;　　when others=> led_sel<="11111111";

52、;　　end case;　　end if;　　end process ;　　-----------------------------段顯示-----------------------------

53、;　　process (clk)　　begin 　　if(clk'event and clk='1') then　　case state is　　when 0 => led_out<="1

54、1000000";　　when 1 => led_out<="11111001";　　when 2 => led_out<="10100100";　　when 3 => led_out<="10110000"

55、;　　when 4 => led_out<="10011001";　　when 5 => led_out<="10010010";　　when 6 => led_out<="10000010";

56、　　when 7 => led_out<="11111000";　　when 8 => led_out<="10000000";　　when 9 => led_out<="10010000";　　wh

57、en others=>null;　　end case;　　end if;　　end process; 　　end Behavior;　　數(shù)碼管學

58、號滾動顯示 　?。ㄒ唬嶒災康?lt;/b>　　(1)掌握VHDL語言的語法規(guī)范，掌握時序電路描述方法。　　(2)掌握多個數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示的原理及設(shè)計方法。　?。?）掌握硬件系統(tǒng)設(shè)計方法（自底向上或自頂向下），熟悉VHDL語言三種設(shè)計風格，熟悉其

59、芯片硬件實現(xiàn)的過程。　?。ǘ嶒瀮x器　　PC機，ALtera CPLD硬件實驗開發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計軟件（Quartus II ）　?。ㄈ嶒瀮?nèi)容　　要求學生在六個數(shù)碼管滾動顯示自己的學號（六位），每

60、隔一定時間循環(huán)移位一次，學號為奇數(shù)則左移，學號為偶數(shù)則右移。間隔時間可由開關(guān)選擇1秒，2秒，3秒和4秒。　?。ㄋ模嶒炘?lt;/b>　　為使得輸入控制電路簡單且易于實現(xiàn)，采用動態(tài)掃描的方式實現(xiàn)設(shè)計要求。動態(tài)掃描顯示需要由兩組信號來控制：一組是字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口輸出的控制信號

61、，用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，稱為位碼。　　各位數(shù)碼管的相同段是并聯(lián)的，段碼的輸出對各位數(shù)碼管來說都是相同的。因此在同一時刻如果各位數(shù)碼管都處于點亮狀態(tài)，6位數(shù)碼管將顯示相同的字符。若要各位數(shù)碼管能夠顯示出與本位相應的字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位處于點亮狀態(tài)，而其它各位處于滅燈狀態(tài)。同時，段碼輸出相應位要顯示字符的字型碼。這樣在同一時刻，只有選通的那一位顯示出字符，而其它

62、各位則是熄滅的，如此循環(huán)下去，就可以使各位數(shù)碼管顯示出要顯示的字符。　　雖然這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而且同一時刻，只有一位顯示，其它各位熄滅，但由于數(shù)碼管具有余輝特性和人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位數(shù)碼管顯示間隔足夠短，給人眼的視覺假象就會連續(xù)穩(wěn)定地顯示。　　總之，多個數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，是將所有數(shù)碼管相同段并聯(lián)在一起，通過選通信號分時控制各個數(shù)碼管的

63、公共端，循環(huán)點亮多個數(shù)碼管，并利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，只要掃描的頻率大于50Hz，將看不到閃爍現(xiàn)象。 6個數(shù)碼管則需要50*6=300Hz以上才能看到持續(xù)穩(wěn)定點亮的現(xiàn)象。　?。ㄎ澹┰O(shè)計思路　　循環(huán)左滾動，始終點亮6個數(shù)碼管，左出右進。狀態(tài)為：010101－101010－010101－101010－010101－101

64、010－010101　　主要思路如下：　　(1) 各位數(shù)碼管的相同段是并聯(lián)的，段碼的輸出對各位數(shù)碼管來說都是相同的。因此在同一時刻如果各位數(shù)碼管都處于點亮狀態(tài)，6位數(shù)碼管將顯示相同的字符。若要各位數(shù)碼管能夠顯示出與本位相應的字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位處于點亮狀態(tài)，而其它各位處于滅燈狀態(tài)。&

65、lt;/p>　　(2)為實現(xiàn)移位，定義了字符串向量，這樣只需要將s(5 downto 1)<=s(4 downto 0);s(0)<=s(5);即可實現(xiàn)左移。　　(3)加入按鍵控制count{led1_r,led2_r}，在1s時鐘的控制下，count:從00-01-10-11轉(zhuǎn)變即可實現(xiàn)間隔時間1秒，2秒，3秒和4秒（單位狀態(tài)轉(zhuǎn)移，時間為1s）。&

66、lt;/p>　　（六）硬件實現(xiàn)　　這個實驗要注意的問題和上一個實驗基本相同。這個實驗涉及到動態(tài)顯示，所以還要特別注意clk和clk1s的設(shè)置，后者要比前者大的多才能實現(xiàn)動態(tài)顯示。　　程序編譯通過后連接硬件并進行下載，下載成功則可以實現(xiàn)學號的動態(tài)顯示和左移，并通過按鍵選擇左移的周期。<

67、/p>　?。ㄆ撸嶒灴偨Y(jié)　?。ò耍?附錄（VHDL源程序）　　library ieee;　　use ieee.std_logic_1164.all;　　use ieee.std_logic_unsigned

68、.all;　　entity num_display is　　port(clk,k1,k2:in std_logic;　　led1,led2,led3:out std_logic;　　seg:out std_logic_vector(7 downto 0);</p&

69、gt;　　dig:out std_logic_vector(7 downto 0)　　);　　end entity;　　architecture main of num_display is　　signal f

70、lag:integer range 0 to 5;　　signal clk1s,clk0_5s:std_logic;　　signal state:integer;　　signal cnt:std_logic_vector(2 downto 0);　　type str is

71、 array(5 downto 0)of integer;　　signal s:str:=(0,1,0,1,0,5);-----數(shù)字用你的學號替換。　　signal led1_r,led2_r,led3_r:std_logic;　　begin<p

72、>　　--------------------------產(chǎn)生1s時鐘---------------------------------　　process(clk)　　variable count:integer range 0 to 6000000;　　begin&l

73、t;/p>　　if clk'event and clk='1' then　　if count=6000000 then 　　clk1s<=not clk1s;　　count:=0;<p&g

74、t;　　else 　　count:=count+1;　　end if;　　end if;　　end process;

75、　　------------------------------按鍵選擇-----------------　　process (k1,k2)　　begin　　if k1'event and k1='1' then

76、;　　led1_r<=not led1_r;　　end if;　　if k2'event and k2='1' then　　led2_r<=not led2_r;　　end if;

77、　　end process;　　led1<=not led1_r;　　led2<=not led2_r;　　led3<=not led3_r;　　-----------------------

78、----滾動顯示-----------------------------　　process (clk1s)　　variable count:std_logic_vector(1 downto 0);　　begin　　if(clk1s

79、'event and clk1s='1') then 　　if count=(led1_r,led2_r)then　　s(5 downto 1)<=s(4 downto 0);--s(5 downto 1)<=s(4 downto 0);--如果為右移則改為s(4 downto 0)<=s(5 downto 1

80、);　　s(0)<=s(5);--s(0)<=s(5); --如果為右移則改為s(5)<=s(0);　　count:="00";　　else　　count:=count+1;

81、　　end if;　　end if;　　end process;　　------------------------1s鐘閃爍基準-------------------------------------</p

82、>　　process(clk)　　variable count:integer range 0 to 3000000;　　begin　　if clk'event and clk='1' then<

83、;p>　　if count=3000000 then 　　clk0_5s<=not clk0_5s;　　count:=0;　　else 　　count:=count+1;</p&

84、gt;　　end if;　　end if;　　end process;　　process(clk0_5s)　　begin</p&g

85、t;　　if clk0_5s'event and clk0_5s='1' then　　led3_r<=not led3_r;　　end if;　　end process;　　----

86、-----------------------顯示------------------------------　　process (clk)　　variable count :integer range 0 to 6000;　　begin<p&g

87、t;　　if(clk'event and clk='1') then　　if count=6000 then　　cnt<=cnt+1;　　count:=0;　　else

88、;　　count:=count+1;　　end if;　　end if;　　end process;　　-------------------------

89、-段選擇---------------------------　　process(cnt)　　begin　　case cnt is　　when "000" => dig<="01111111

90、"; state<=s(5);　　when "001" => dig<="10111111"; state<=s(4);　　when "010" => dig<="11011111"; state<=s(3);</p&

91、gt;　　when "011" => dig<="11101111"; state<=s(2);　　when "100" => dig<="11110111"; state<=s(1);　　when "101

92、" => dig<="11111011"; state<=s(0);　　when others=> dig<="11111111"; 　　end case;　　end process ;</

93、p>　　-----------------------------位顯示-----------------------------　　process (clk)　　begin 　　if(clk'event and clk='1

94、9;) then　　case state is　　when 0 => seg<="11000000";　　when 1 => seg<="11111001";　　when 2 => seg<=&q

95、uot;10100100";　　when 3 => seg<="10110000";　　when 4 => seg<="10011001";　　when 5 => seg<="10010010";</p

96、>　　when 6 => seg<="10000010";　　when 7 => seg<="11111000";　　when 8 => seg<="10000000";　　when 9 =

97、> seg<="10010000";　　when others=>null;　　end case;　　end if;　　end process; </p

98、>　　end main;　　教材及參考書　　1．楊曉慧楊永健《基于FPGA的EDA/SOPC技術(shù)與VHDL》國防工業(yè)出版社 2007年7月　　2．《ALTERA CPLD實驗系統(tǒng)用戶手冊》 http:/

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