EDA技术与应用实验指导书2015

《EDA技术实验》实验指导书适用专业：南湖电信2015年4月I前言一、课程性质本课程是电信工程、通信工程、信息工程和自动化专业必修的专业实验课程。通过本课程的教学，使学生掌握EDA技术的开发流程，学会利用以硬件描述语言为实现工具，以可编程逻辑器件为实现载体，在数字系统设计领域熟练应用EDA技术，使其具备研究和开发现代数字系统的能力。二、项目设置本课程总学时为24，开设的具体实验项目如下：实验1平台的应用与全加器设计（4学时，必修）实验2基于lpm_rom的乘法器和并行乘法器设计（4学时，必修）实验3基于lpm_rom的信号发生器设计（4学时，必修）实验4数字频率计设计（4学时，必修）实验5交通灯控制器设计（4学时，选修）实验6数字电压表的设计（4学时，选修）三、本书特点本指导书的特点是引入工程项目机制来管理实验项目，着重培养学生的方案设计、算法分析和现场调试能力，为将来成为卓越工程师打下坚实的基础。II目录第一章实验系统........................................................................................................11.1整体组成..........................................................................................................11.2核心板..............................................................................................................11.3主要模块...........................................................................................................1第二章开发平台........................................................................................................52.1QuartusII简介.................................................................................................52.2QuartusII开发流程.........................................................................................5第三章实验项目........................................................................................................9实验1平台的应用与全加器设计........................................................................9实验2基于lpm_rom的乘法器和并行乘法器设计.........................................11实验3基于lpm_rom的正弦信号发生器设计...................错误!未定义书签。实验4数字频率计设计......................................................................................14实验5交通灯控制器设计.............................................................................................20实验6数字电压表的设计附录实验报告基本要求..........................................................................................231第一章实验系统1.1整体组成实验室采用NC-EDA-2000C实验系统，整体组成如下图所示。图1.1NC-EDA-2000C实验系统组成框图1.2核心板实验系统的核心板采用Altera公司的EP1K10TC100-3芯片，位于实验箱组成框图的14所示位置，具有低内核电压、低功耗的特点。芯片内门电路高达1万门，内部使用RAM作电路结构，速度高达几百MHZ，其输出可用管脚已全部开放。1.3主要模块一、显示模块1、液晶显示模块实验系统采用进口双排16字符液晶显示模块组成，位于实验系统组成框图的16所示位置。其输入、输出信号在其下方，由13个连接孔与其它模块连接。2、8位数码管位于实验系统组成框图的9所示位置，采用2个共阴高红7段数码管组成，2位选信号在数码管的左边由连接孔SEL0、SEL1、SEL2与其它模块连接。3、8×8LED点阵位于实验系统组成框图的15所示位置，横排8位显示的控制信号在点阵右边的3-8译码器的下方，由SEL0、SEL1、SEL2连接孔与其它模块连接。4、8位发光二极管位于实验系统组成框图的13所示位置。其输入由位于其下方的8位连接孔与其它模块连接，可以模拟二进制数据输出。二、接口模块实验系统有视频接口（VGA）、USB接口、RS232接口、通信模块的接口等几个模块。VGA接口位于实验组成框图的19所示位置，USB接口位于实验组成框图的24所示位置，RS232接口位于实验组成框图的25所示位置。其信号输入输出均由位于模块左边的连接孔与其它模块连接。通信模块的输入输出位于实验系统组成框图的17、18所示位置。三、输入模块1、4×4键盘在实验系统组成框图的22所示位置。4×4键盘主要是通过编程实现0～F的输入，也可以作为一个控制键。在其上方的连接孔R1、R2、R3、R4控制横向4位；C1、C2、C3、C4控制纵向4位。2、8位复位开关复位开关可以通过手动控制为系统提供脉冲信号。在系统中一共提供了8位的按键开关，当按下键后其输出为低电平，反之则为高电平。其输出端是模块上方对应的连接孔K1～K8。3、8位DIP开关位于实验系统组成框图中的21所示位置。主要功能是能保持高低电平，通过手动控制为系统提供稳定的逻辑信号。系统总共提供了8位拨档开关，当开关的档位在上方时则输出高电平，反之则为低电平。其输出端是模块上方对应的连接孔S1～S8。4、24M～2Hz分频电路在实验系统组成框图的20所示位置。在这个模块中采用了两个时钟源，一个是24M的高频时钟，另一个是32768Hz能完成二次分频的时钟。时钟输出通过其上方的四组跳线改变其频率的输出，每一组频率相对独立。其频率值在电路板上均已标明。每一组的频率输出端是上方对应的CLK1、CLK2、CLK3、CLK4连接孔。3四、模数转换模块1、ADC0809芯片ADC0809芯片是8通道、8位逐次逼近式A/D转换器，位于实验系统组成框图中的3所示位置，完成模/数转换。CH0～CH7为8个模拟输入通道，其输入端是上方对应的CH0～CH7连接孔。AD0～AD7为数据输出端，通过其右边对应的D0～D7连接孔与其它模块连接。其它管脚通过其下方对应的连接孔与控制信号相连。2、DAC0800芯片DAC0800芯片是8位分辨率的D/A转换芯片，具有连接简单、转换控制方便、价廉等优点，位于实验系统组成框图中的5所示位置，完成数/模转换。8位数据输入端由下方的D0～D7连接孔输入，模拟信号输出由LF411下方的Vout连接孔输出。五、控制模块1、电梯在本实验系统中模拟的是1个三层电梯上下的模块。位于实验系统组成框图的12所示位置。4个按键如上面标志所示分别表示每层楼上、下的请求信号，信号通过其右边对应的4个连接孔1KU（一楼上信号）、2KD（二楼下信号）、2KU（二楼上信号）、3KD（三楼下信号）与其它模块连接。在中间有2个黄色的指示灯和2个绿色的指示灯。黄色的指示灯表示楼层有下的请求信号；绿色的指示灯表示楼层有上的请求信号。通过其右边对应的4个连接孔1U（一楼上信号）、2U（二楼上信号）、2D（二楼下信号）、3D（三楼下信号）与其它模块连接。模块最右边的3个红灯表示电梯到达楼层的标志信号，通过其右边对应的3个连接孔与其它模块连接。2、交通灯在实验系统组成框图的11所示位置。由12个红黄绿灯按交通灯方式排列的交通灯模块，可做交通灯或舞台灯光实验。3、步进电机位于实验系统组成框图的10所示位置。通过对模块下方的4个连接孔A、B、C、D输入控制信号来控制步进电机的转动。六、存储模块在本系统中采用1个8K×8位的E2PROM2864芯片，通过对其编程，可为其它模块提供波形信号。在实验系统组成框图的4所示位置。4七、蜂鸣器模块蜂鸣器在实验系统组成框图中位于6所示位置，由1个蜂鸣器和1个喇叭组成，是为了配合有些实验需要报警发声等要求而设置的。实验系统可以通过对中间的1个跳线的改变来选择蜂鸣器或喇叭，当跳线帽在左边时选择的是喇叭，反之则选择的是蜂鸣器。对模块下方的SPEAKER连接孔输入1个时钟信号使蜂鸣器或喇叭发声。5第二章开发平台2.1QuartusII简介QuartusII是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。QuartusII支持Altera的IP核，集成了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。2.2QuartusII开发流程一、创建工程1、建立工程目录新建一个文件夹，作为工程目录。2、新建工程（File|NewProjectWizard）（1）指定工程目录、名称和顶层设计实体（2）选择目标芯片63、新建设计文件（File|New）4、保存文件File|SaveAs二、编译工程（Processing|StartCompilation）全程编译包括排错、数据网表文件提取、逻辑综合、适配、装配文件生成，以及基于目标器件的工程时序分析等。如果有错误，可双击错误说明条文，修改源程序，重新编译。三、时序仿真1、新建波形文件（File|New）选择OtherFiles中的VectorWaveformFile2、保存文件（File|SaveAs）3、设置仿真时间区域（Edit|EndTime）4、添加端口（Edit|InsertNodeorBus|NodeFinder）75、编辑输入波形6、启动时序仿真（Processing|StartSimulation）四、观察RTL电路Tools|RTLViewer五、引脚分配（Assignments|AssignmentEditor）当引脚分配后，必须重新编译一次。六、下载（Tools|Programmer）1、设置编程器选择波形翻转局部波形全屏视图查找节点未初始化强制低电平高阻抗无关计数值任意值对齐网格弱低电平添加注释缩放视图替换节点强制未知强制高电平弱未知翻转波形时钟信号随机值排序弱高电平82、启动编程七、运行搭建好外围电路后，观察实验系统运行情况，如果与预期的功能不符，应重新修改源程序。9第三章实验项目实验1平台的应用与全加器设计实验学时：4实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的通过本次实验，掌握QuaruII软件的开发流程，学会全加器图形化设计方法。二、预习与参考1、系统方案利用QuaruII集成的门元件，先设计一个半加器，将半加器生成元件