数字系统设计实验指导书

数字系统设计实验指导书目录I目录目录...................................................................................................................................................I第一章EDA实验板介绍...............................................................................................................1数字系统设计实验指导书目录II第二章基于QuartusII的数字系统设计......................................................................................42.1基于QuartusII的数字系统设计流程.....................................................................42.2QuartusII软件使用介绍..........................................................................................5第三章实验内容.........................................................................................................................283.1设计性实验............................................................................................................28实验一、数字频率计的设计.................................................................................28实验二、PCM基群帧同步检测电路设计与实现................................................29实验三、FIR滤波器的设计...................................................................................30实验四、自动销售机的设计.................................................................................32实验五：数字密码锁设计.....................................................................................333.2综合性实验............................................................................................................35实验一多功能秒表设计.....................................................................................35实验二、红外遥控接系统设计.............................................................................36附录................................................................................................................................................38EDA实验板顶层图.........................................................................................................38EDA实验板底层图.........................................................................................................39EDA实验板原理图.........................................................................................................40下载线原理图.................................................................................................................45数字系统设计实验指导书第一章EDA实验板介绍1第一章EDA实验板介绍为配合设计性实验和综合性实验的顺利开展，华南理工大学自主开发了EDA实验平台，如图1-1所示。该平台选用了Altera公司的CYCLONE1系列的EP1C6Q240C8为基本配置，一上电就可以工作，无需其他芯片配合。该平台硬件资源丰富，主要包括电源稳压电路、流水灯、键盘、50M频率的晶振、4位七段数码管、FLASH、sdram、蜂鸣器、、USB接口、ps2接口、拨码开关等，各模块电路独立工作，可通过跳线设置是否与芯片连接。此外，可以外接配套的电平开关转接板，扩充1到16路电平拨码开关，为芯片的任意管脚输入高低电平。该实验平台配置灵活，能够完成多种实验和课程设计。在实验的过程中，读者可以根据条件选择合适的硬件平台，书中第三章基础实验在进行管脚配置的时候是根据图1-1设定的，对于不同的实验平台，读者可以作出相应的修改。数字系统设计实验指导书第一章EDA实验板介绍2图1-1EDA实验平台顶层PCBEDA实验版功能模块分布如图1-2，读者可以根据本EDA实验版的功能结合配套资料进行FPGA的实验开发。数字系统设计实验指导书第一章EDA实验板介绍3图1-2EDA实验版结构框图EDA实验版的具体原理图，管脚配置关系见附件。按键EP1C6Q240C8四个八段数码管四个八段数码管蜂鸣器流水灯红外适配器电源稳压电路JTAG下载口EPCS下载SCUTUSB接口PS2接口VGA接口RS232接口数字系统设计实验指导书第二章基于QuartusII的数字系统设计4第二章基于QuartusII的数字系统设计2.1基于QuartusII的数字系统设计流程AlteraQuartus®II设计软件提供完整的多平台设计环境，能够直接满足特定设计需要，为可编程芯片系统(SOPC)提供全面的设计环境。QuartusII软件含有FPGA和CPLD设计所有阶段的解决方案。QuartusII的开发流程如图2-1所示。图2-1QuartusII的开发流程图2-1中的流程：设计输入-综合-布线布局-时序分析-仿真-编程配置，在QuartusII中综合、布线布局、时序分析都包含在编译中，也就是在点击StartCompilication后，软件会自动完成这三部分的功能。设计输入一般有文本输入、图形输入、网表输入等几种方法，仿真之前需要编辑好输入信号激励文件，编程配置则需要根据开发板的说明书来对系统的输入输出管脚进行配置。数字系统设计实验指导书第二章基于QuartusII的数字系统设计5此外，QuartusII软件为设计流程的每个阶段提供QuartusII图形用户界面、EDA工具界面以及命令行界面。可以在整个流程中只使用这些界面中的一个，也可以在设计流程的不同阶段使用不同界面。2.2QuartusII软件使用介绍QuartusII软件可以完成设计流程的所有阶段。它是一个全面的、易于使用的独立解决方案。图2-2显示QuartusII图形用户界面为设计流程每个阶段所提供的功能。图2-2QuartusII图形用户界面的功能数字系统设计实验指导书第二章基于QuartusII的数字系统设计6下面就以一个例子来详细介绍QuartusII软件的使用流程，包括设计输入、编译、仿真、管脚配置、下载编程。我们设计的例子是一个十六进制计数器，并要求用七段数码管进行显示计数值。其步骤如下：1．建立工程1）启动QuartusII软件后，就会出现如图2-3所示的用户图形界面。图2-3用户图形界面2）使用NewProjectWizard(File菜单)或quartus_map可执行文件建立新工程。建立新工程时，指定工程工作目录，分配工程名称，指定顶层设计实体的名称。在用户图形界面点击File菜单，在File下拉菜单中点击NewProjectWizard，如图2-4所示。点击NewProjectWizard后，出现如图2-5所示的界面。数字系统设计实验指导书第二章基于QuartusII的数字系统设计7图2-4点击File下拉菜单中的NewProjectWizard图2-5新建工程向导：目录，名称和顶层设计实体名数字系统设计实验指导书第二章基于QuartusII的数字系统设计8在指定路径之前，可以先新建一个工程文件夹，如在这里我们新建一个工程文件夹并命名为counter&displayer，将工程取名为counter_displayer，因为工程的顶层设计实体名应与工程名一致，所以工程的顶层设计实体名也是counter_displayer，设置后如图2-5所示。然后点击next。3）出现如图2-6所示的添加设计文件的对话框。图2-6新建工程向导：添加文件设计对话框当然，在这里可以选择不添加文件而直接点击next进入下一步，因为在QuartusII用户图形界面中也可以通过点击assignment-setting-files来添加您所需要的文件。所以在这里我们直接点击next进入下一步。4）出现如图2-7所示的器件系列设置对话框。数字系统设计实验指导书第二章基于QuartusII的数字系统设计9图2-7新建工程向导：器件系列设置对话框对于不需要下载到开发板而只想软件仿真的设计，在这里可以不用指定特定的器件，让软件自动选择适当的器件，但对于需下载到开发板来实现的设计，就应该在这里选择与开发板上对应的芯片。例如，若开发板上用的是MAX系列的EPM7128SL84-15的芯片，那么就应该在下拉菜单Family下应选择MAX7000S，在Availabledevices中选择EPM7128SL84-15，然后点击Next进入下一步。5）出现如图2-8所示的EDA工具设置对话框。数字系统设计实验指导书第二章基于QuartusII的数字系统设计10图2-8新建工程向导：EDA工具设置对话框QuartusII软件本身包含了一套完整的开发流程，从设计输入、分析与综合、功能仿真、适配、时序分析、时序仿真,到下载都可以在QuartusII中完成,对于没有特别的要求可以不调用其他的EDA软件，在这里直接选择Next进入下一步。6）出现如图2-9所示的新建工程摘要界面。图2-9新建工程的摘要至此，一个新工程已经建立好，点击Finish可以进入到此工程的编辑环境。这个设计可以分为两个部分：第一部分就是十六进制计数器，第二部分是七段数码管的显示部分。对于计数器就直接调用软件库里面的模块，显示部分实际上也就是个译码电路，所以接下来我们将详细说明这两部分的设计来介绍从设计输入到下载的整个流程。2．设计输入可以使用QuartusII软件在QuartusII