FPGA实验指导书-Xunger

EDA基础实验分册科技有限公司DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇1前言近十年由于超大规模集成电路和软件技术的快速发展，使数字系统集成到一片集成电路内成为可能，Altera、Xilinx、AMD等公司都推出了非常好的CPLD和FPGA产品，并为这些产品的设计配备了设计、下载软件，这些软件除了支持图形方式设计数字系统外，还支持设计多种数字系统的设计语言，使数字系统设计起来更加容易。在小规模数字集成电路就要淘汰的今天，作为一个电子技术工程技术人员不懂VHDL语言和CPLD、FPGA器件设计就象在计算机时代不会使用计算机一样可怕。本实验指导书的目的就是帮助读者学会设计数字系统，并熟悉Altera公司产品和软件QUARTUSⅡ及其它相关软件的使用。本实验指导书的实验内容从简单的组合电路的设计到复杂的数字系统的设计，详细的介绍了系统的设计方法和软件的各种操作。读者可以通过这本实验指导书设计自己的数字电路。本实验指导书选编了有代表性的实验近三十多个，分为基础实验、按口实验、综合应用实验。实验内容从简单到复杂，使使用者能够很快的入手，同时本实验指导书还可以作为电子技术的加深课程或作为电子技术工程师参考用书。本实验指导书配合DE1-SOC实验开发系统系列产品使用。如果用户有什么修改建议欢迎和我们联系：E-mail：[e-mail]：765880165由于时间仓促，资料缺乏，有错误之处请读者谅解。编者20014年10月DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇2目录基础实验实验一基于QUARTUSII图形输入电路的设计……………………………………5实验二基于VHDL的格雷码编码器的设计………………………………………28实验三含异步清零和同步使能的计数器的设计…………………………………32实验四八位七段数码管动态显示电路的设计……………………………………36实验五数控分频器的设计………………………………………………………………40实验六图形和VHDL混合输入的电路设计………………………………………43实验七步长可变的加减计数器的设计………………………………………………48实验八基本触发器的设计………………………………………………………………51实验九可控脉冲发生器的设计…………………………………………………………52实验十基于VHDL的抢答器的设计……………………………………………………57实验十一基于VHDL的表决器的设计……………………………………………………60实验十二正负脉宽信号发生器的设计……………………………………………………63实验十三基于并行AD的信号发生器的设计…………………………………………66实验十四序列检测器的设计………………………………………………………………74接口实验实验十五矩阵键盘显示接口电路的设计………………………………………………77实验十六AUDIO电子音乐实验……………………………………………………………82实验十七直流电机测速控制………………………………………………………………85实验十八步进电机驱动控制………………………………………………………………90实验十九交通灯控制设计…………………………………………………………………95实验二十LCD液晶显示实验……………………………………………………………99综合应用实验实验二一数字频率计的设计……………………………………………………………116实验二二多功能数字钟的设计…………………………………………………………122实验二三基于VHDL的数码锁的设计………………………………………………125实验二四数字秒表的设计…………………………………………………………………129实验二五出租车计费器的设计…………………………………………………………132DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇3实验一基于QUARTUSII图形输入电路的设计一、实验目的1、通过一个简单的3-8译码器的设计,掌握组合逻辑电路的设计方法。2、初步了解QUARTUSII原理图输入设计的全过程。3、掌握组合逻辑电路的静态测试方法。二、实验原理3-8译码器三输入，八输出。当输入信号按二进制方式的表示值为N时，输出端标号为N的输出端输出高电平表示有信号产生，而其它则为低电平表示无信号产生。因为三个输入端能产生的组合状态有八种，所以输出端在每种组合中仅有一位为高电平的情况下，能表示所有的输入组合。其真值表如表1-1所示输入输出ABCD7D6D5D4D3D2D1D00000000000110000000010010000001001100000100000100010000101001000000110100000011110000000表1-1三-八译码器真值表译码器不需要像编码器那样用一个输出端指示输出是否有效。但可以在输入中加入一个输出使能端，用来指示是否将当前的输入进行有效的译码，当使能端指示输入信号无效或不用对当前信号进行译码时，输出端全为高电平，表示无任何信号。本例设计中没有考虑使能输入端，自己设计时可以考虑加入使能输入端时，程序如何设计。DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇4三、实验内容在本实验中，用三个拨动开关来表示三八译码器的三个输入（A、B、C）；用八个LED来表示三八译码器的八个输出（D0-D7）。通过输入不同的值来观察输入的结果与三八译码器的真值表（表1-1）是否一致。实验箱中的拨动开关与FPGA的接口电路如下图1-1所示，当开关闭合（拨动开关的档位在下方）时其输出为低电平，反之输出高电平。其电路与FPGA的管脚连接如表1-2所示图1-1拨动开关与FPGA接口电路信号名称对应FPGA（EP5CSEMA5F31）管脚名信号说明SW0AB12从SW0输出到FPGA的AB12SW1AC12从SW1输出到FPGA的AC12SW2AF9从SW2输出到FPGA的AF9SW3AF10从SW3输出到FPGA的AF10SW4AD11从SW4输出到FPGA的AD11SW5AD12从SW5输出到FPGA的AD12SW6AE11从SW6输出到FPGA的AE11SW7AC9从SW7输出到FPGA的AC9SW8AD10从SW8输出到FPGA的AD10SW9AE12从SW9输出到FPGA的AE12表1-2拨动开关与FPGA管脚连接表LED灯与FPGA的接口电路如图1-2所示，当FPGA与其对应的端口为高电平拨动开关的输出DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇5时LED就会发光，反之LED灯灭。其与FPGA对应的管脚连接如表1-3所示。图1-2LED灯与FPGA接口电路信号名称对应FPGA（EP5CSEMA5F31）管脚名说明LEDR0V16从FPGA的V16输出至LEDR0LEDR1W16从FPGA的W16输出至LEDR1LEDR2V17从FPGA的V17输出至LEDR2LEDR3B18从FPGA的B18输出至LEDR3LEDR4W17从FPGA的W17输出至LEDR4LEDR5W19从FPGA的W19输出至LEDR5LEDR6Y19从FPGA的Y19输出至LEDR6LEDR7W20从FPGA的W20输出至LEDR7LEDR8W21从FPGA的W21输出至LEDR8LEDR9Y21从FPGA的Y21输出至LEDR9表1-3LED灯与FPGA管脚连接表四、实验步骤下面将通过这个实验，向读者介绍QUARTUSII的项目文件的生成、编译、管脚分配以及时序仿真等的操作过程。1、建立工程文件1)选择开始程序AlteraQuartusII13.1，运行QUARTUSII软件。或者双击DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇6桌面上的QUARTUSII的图标运行QUARTUSII软件，出现如图1-3所示，如果是第一次打开QUARTUSII软件可能会有其它的提示信息，使用者可以根据自己的实际情况进行设定后进入图1-3所示界面。图1-3QUARTUSII软件运行界面2)选择软件中的菜单FileNewProjectWizard，新建一个工程。如图1-4所示。3）点击图1-4中的NEXT进入工作目录，工程名的设定对话框如图1-5所示。第一个输入框为工程目录输入框，用户可以输入如e:/eda等工作路径来设定工程的目录，设定好后，所有的生成文件将放入这个工作目录。第二个输入框为工程名称输入框，第三个输入框为顶层实体名称输入框。用户可以设定如EXP1，一般情况下工程名称与实体名称相同。使用者也可以根据自已的实际情况来设定。DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇7图1-4新建工程对话框图1-5指定工程名称及工作目录4）点击NEXT，进入下一个设定对话框，按默认选项直接点击NEXT进行器件选择对话框。如图1-6所示。这里我们以选用Cyclone系列芯片EP5CSEMA5F31为例进行介绍。用户可以根据使用的不同芯片来进行设定，其方法基本一致。DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇8图1-6器件选择界面首先在对话框的左上方的Family下拉菜单中选取CycloneV(E/GX/GT/SX/SE/ST)，在中间右边的Speedgrade下拉菜单中选取6，在左下方的Availabledevices框中选取EP5CSEMA5F31C6，点击NEXT完成器件的选取，进入EDATOOL设定界面如图1-7所示。图1-7EDATOOL对话框5）按默认选项，点击NEXT出现新建工程以前所有的设定信息，如图1-8DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇9所示，点击FINISH完成新建工程的建立。图1-8新建工程信息2、建立图形设计文件1）在创建好设计工程后，选择FileNEW…菜单，出现图1-9所示的新建设计文件类型选择窗口。这里我们以建立图形设计文件为例进行说明，其它设计输入方法与之基本相同。图1-9新建设计文件选择窗口DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇102）在New对话框（图1-9）中选择DeviceDesignFiles页下的BlockDiagram/SchematicFile，点击OK按钮，打开图形编辑器对话框，如图1-10所示。图中标明了常用的每个按钮的功能。图1-10QUARTUSII图形编辑器对话框QUARTUSII图形编辑器也称块编辑器（BlockEditor），用于以原理图（Schematics）和结构图（BlockDiagrams）的形式输入和编辑图形设计信息。QUARTUSII图形编辑器可以读取并编译结构图设计文件（BlockDesignFile）和MAXPLUSII图形设计文件（GraphicDesignFiles），可以在QUARTUSII软件中打开图形设计文件并将其另存为结构图设计文件。在QUARTUSII图形编辑器窗口（图1-10）中，根据个人爱好，可以随时改变BlockEditor的显示选项，如导向线和网格间距、橡皮筋功能、颜色以及基本单元和块的属性等。3）在这里以用原理图输入设计一个三八译码器为例，介绍基本单元符号输DE1-SOCSystemPlatformEDA基础篇11入方法的步骤。在图1-10所示的图形编辑器窗口的工件区双击鼠标的左键，或点击图中的符号工具按钮，或选择菜单EditInsertSymbol…，则弹出如图1-11所示的Symbol对话框。图1-11Symbol对话框4）用鼠标点击单元库前面的“+”号，展开单元库，用户可以选择所需要的图元或符号，该符号则显示在右边的显示符号窗口，用户也可以在符号名称里输入你所需要的符号名称，点击OK按钮，所选择的符号将显示在图形编辑器的工作区域。5）参考图1-12所示，将要选择的器件符号放置在图形编辑器的工件区域，用正交节点工具将原件边接起来，然后定义端口的名称。在这个例子里，定义三个输入为A、B、C，定义八个输出为D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。用户也