Transcript 数字秒表设计 - 实验中心实验中心

实验四
基于VHDL语言的数字秒表设计
本部分实验内容为新内容，操作步骤较多，为保证实
验项目进行完毕，请同学们务必提前做好预习准备
预习要求
1.从实验中心网站下载软件
2.按照ppt所示，操作使用，
仿真数字逻辑器件功能
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一、实验目的
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通过本次实验，引导学生以硬件描述语言的手段
来设计数字逻辑电路；
掌握QuartusII集成开发环境软件VHDL语言输入
的设计流程；
掌握数字秒表的工作原理，学会通过QuartusII建
立VHDL语言描述小型数字电路；
掌握用VHDL语言设计分频器的方法。
掌握可编程逻辑器件（PLD）的开发步骤；
掌握对设计进行编译、仿真、下载、验证的方法。
二、实验设备
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计算机，可编程逻辑器件实验板
2
三、PLD器件简述
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可编程逻辑器件（Programmable Logic Devices，
PLD），发展于20世纪70年代，属半定制集成电路；
使用PLD器件，借助EDA设计方法，可以方便、快速地
构建数字系统；
任何组合逻辑电路都可以用“与门-或门”二级电路实现；
任何时序逻辑电路都可以由组合逻辑电路加上存储元件
（触发器、锁存器构成）；
人们由此提出乘积项可编程电路结构，原理结构如下：
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实验原理---PLD背板简介
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

可编程逻辑器件选用Altera公司新一代CPLD器件：
MAXII系列的EPM240T100C5；
逻辑单元（LE）240个，等效宏单元192个，最大
用户I/O 80个；
背板上共引出15（左侧）+18（右侧）+22（上方）
=55个I/O供用户外接使用，其余I/O提供给背板上自
带的功能电路（LED、按键、VGA接口、拨码开关
等）；
背板由下载器通过电缆直接供电，无需从实验箱外
接电源线；
通过PC机USB接口与背板连接，下载所做的设计，
简单、方便。
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PLD实验板
USB供电及
下载接口
电源指示灯 电源开关
正面视图
Hole23
不可用，
印字无效
注意：电路
板上方禁止
摆放任何金
属物质，以
防短路。
LED指示电路
拨码开关，
推上为低电
平，拨下为
高电平
VGA接口
独立按键，按下为低电
平，弹起为高电平
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PLD实验板
背面视图
PLD
主芯片
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四、数字秒表的要求及工作原理
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要求：用VHDL语言设计数字秒表；
计时单位：1秒；(即每秒计时1次)
计时范围：60秒；
显示方式：使用PLD实验板上的8个LED进行显示；
用逻辑电路控制8个LED灯，左边4个代表秒表计数
的十位，右边4个代表秒表计数的个位，在脉冲信号
CP的作用下，间接显示秒表的BCD数值；
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LED灯表示数字秒表的状态示意图：
0秒
1秒
2秒
………………
………………
………………
………………
………………
………………
9秒
10秒
19秒
20秒
59秒
上图给出了数字秒表（60进制计数器）的效果图；
灯亮代表逻辑1，灯灭代表逻辑0，即得到秒表的转移图。
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四、实验任务
1、分频器设计（用VHDL语言描述）
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CP由实验板上的10MHz有源晶振产生（长方形的“铁块”）；
从PLD器件的专用时钟引脚Pin12输入到器件内部（在
QuartusII下进行引脚锁定）， 为计数器提供时钟信号；
由于实验板上所带的连续脉冲CP的频率为10MHz；因此，需
要为秒表的计数器设计分频器，将10MHz的连续脉冲分频，
得到秒脉冲；
再由秒脉冲作为秒表计数器的计数频率。
本质上就是用VHDL语言设计模值为10000000的计数器。
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2、计数器设计（用VHDL语言描述）
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
直接的60进制计数器所对应的是二进制数值，不便于显示；
因此，可将秒表看做由个位为10进制的计数器和十位为6
进制的计数器进行级联构成，这种计数器也称为BCD计数
器；
采用VHDL分别描述10进制计数器和6进制计数器，当计数
值为59时，若再来一个时钟脉冲，计数器回到初值0重新
计数。
也可以直接描述60进制计数器，然后除10,得到的商为十
位，余数为个位。
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3、分频器与计数器的接口
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（1）可采用多进程描述的方法，分频器为一个进
程，计数器写入另一个进程。将分频器进程中的
秒脉冲输出定义为signal，作为计数器进程的敏
感信号，驱动计数器进行计数；
（2）可采用原理图符号化连接的方法，将分频器
和计数器所生成的元件符号在原理图中进行连接，
完成顶层次设计。
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采用双进程描述的带分频60进制计数器
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采用双进程描述的带分频60进制计数器（续）
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五、实验步骤
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1. 通过QuartusII建立一个新项目；
2. 建立项目时选MAXII系列（family）的目标器件
（devices）EPM240T100C5
3. 新建VHDL设计文件，编写VHDL程序，设计分频
器及计数器，并编译通过；
4. 对设计进行引脚锁定，再次编译；
5.连接PLD背板下载线，将编译所生成的*.pof目标文
件下载到PLD芯片中；
6. 验证电路，观察运行结果，如不正确，检查设计，
调整后重新编译后再次下载后观察，直至结果正确；
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1、时序仿真波形示意图
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2、引脚锁定
引脚锁定以实际的实验系统选用的芯片为准
 引脚锁定方法：

 在菜单下依次选择Assignments/Pin
双击编辑窗口对应引脚的Location，根据端口名选择
引脚号。
 8个LED与10MHz信号的输入引脚见下图：

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现在将流水灯的8个输出端所需引脚锁定到实验背板对应
的8个发光Led上。
1、
8个发光Led与PLD器件引脚的连接关系：
Led（左起） 1
PLD
pin
95
引脚
2
pin
92
3
pin
91
4
Pin
90
5
pin
89
6
pin
88
7
Pin
87
8
Pin
86
2、流水灯的脉冲CP使用背
板上的10MHz连续脉冲，锁
定到Pin12。
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对设计进行引脚锁定
这么多，
选哪个呢？
双击“Location”下方的表格框，弹出指定
器件的引脚列表，选择用户自定义的引脚。
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3、再次执行全程编译（必要步骤）
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4、背板连接
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1、连通PC机→配套下载器→实验背板；
 下载器与PC机通过USB打印线连接（一头方|一
头扁）；
 下载器与实验背板通过9针平行串口线连接；
 线路较长，请适当缠绕，折放整齐。

3、连通线路后，打开实验背板上面的电源开
关 （推到右侧），电源指示灯点亮，表明连
线无误。
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下载器第一次连接到PC机，会弹出硬件安装向导，
按下述操作完成下载器安装
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5、下载
 启动下载：单击Tools\Programmer,即启动下载界面
 在下载界面选择单击Hardware
Setup按钮选择下载器，
在弹出菜单中双击选择USB-Blaster ，再单击close。
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 编程下载：在配置文件（*.sof或*.pof）信息窗口
处（屏幕右下大半区域），勾选
program/configure,
 然后单击start按钮，即开始配置/编程；
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正在下载程序……
当下载窗口右上角progress显示出100%，表示下载成功；
观察LED的显示效果是否达到设计要求。
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6、故障处理
 若编程器自身有故障或者未正确连接，则不能编程
/配置，底部的信息栏会有红色字体的信息提示，
这时需要检查编程器的连接。
 解决方法：将下载线与PC机USB连接线断开，插
入，重试下载。
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六、实验报告要求
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1. 写出设计源代码。
2. 记录编译结果（逻辑单元<Le>的消耗情况
等）。
3. 记录仿真结果（简单画出仿真波形）。
4. 分析结果（实验现象结论）。
5. 简答思考题。
思考题：
1、本实验中的双进程设计进程间如何传递信号？
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