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1、1,2020/1/29,数字电子技术课程设计,一、课程设计的目的 二、数字系统的设计方法简介 三、用可编程器件实现数字系统的方法简介 四、本次课程设计的设计任务,2,2020/1/29,一、课程设计的目的,了解数字系统的组成，学习数字系统的设计方法。 熟悉现代数字系统的实现方法：用PLD器件取代传统的中规模集成器件实现数字电路与系统。 学习分层次化实现数字电路与系统的方法。 学习使用硬件描述语言（Hardware Description Language）对数字电路与系统进行建模、仿真、综合与实现的方法。,3,2020/1/29,二、数字系统的设计方法简介,1、数字系统的组成,2、数字系统的设
2、计方法,3、现代数字系统的实现方法,4. 数字系统的设计举例,4,2020/1/29,1、数字系统的组成,数字系统通常由三部分组成：输入/输出接口、数据处理器和控制器，如图所示。,输入输出接口是用来将模拟量转化为数字量，或数字量转化为模拟量的模块。 控制器的作用是控制系统内各部分模块的工作，使它们按一定顺序进行操作。 处理器的作用是完成信息的存储和加工处理。,5,2020/1/29,2、数字系统的设计方法,分类： 自下而上的设计方法 自上而下的设计方法 自下而上的设计方法 数字系统自下而上的设计是一种试探法。设计者根据自己的经验将规模大、功能复杂的数字系统按逻辑功能划分成若干子模块，一直分到这
3、些子模块可以用经典的方法和标准的逻辑功能部件进行设计，最后将整个系统安装、调试达到设计要求。,6,2020/1/29,自下而上设计方法的特点： 这种设计方法没有明显的规律可循，主要依靠设计者的实践经验和熟练的设计技巧，用逐步试探的方法最后设计出一个完整的数字系统。 系统的各项性能指标只有在系统构成后才能分析测试。如果系统设计存在比较大的问题，也有可能要重新设计，使得设计周期加长、资源浪费也较大。,7,2020/1/29,自上而下的设计方法 自上而下的设计方法是，将整个系统从逻辑上划分成控制器和处理器两大部分。如果控制器和处理器仍比较复杂，可以在控制器和处理器内部多重地进行逻辑划分，然后选用适当
4、的器件以实现各子系统，最后把它们连接起来，得到所要求的数字系统。 自上而下的设计方法一般要遵循下列几个步骤： 明确所要设计系统的逻辑功能。 确定系统方案与逻辑划分，画出系统方框图。 采用某种算法描述系统。 设计控制器和处理器，并组合成所需要的数字系统。,8,2020/1/29,3、现代数字系统的实现方法,数字系统的实现方法也经历了由分立元件、小规模、中规模到大规模、超大规模，直至今天的专用集成电路(ASIC)。 现在的ASIC芯片规模已经达到几百万个元件。一个复杂的数字系统只要一片或几片ASIC即可实现。 FPGA或CPLD属于ASIC电路的一类。具有现场可编程的特性。用户可将所设计的电路通过
5、计算机和开发工具，生成关于阵列连接的信息文件，并将信息文件通过编程器“编程”到芯片上。 如果采用在系统编程器件，不需要编程器，直接将芯片装在所设计的系统或电路板上，通过编程电缆直接对其编程或修改。,9,2020/1/29,4、数字系统的设计举例,设计任务： 设计一个数字频率计，其技术要求如下：,(1) 测量频率范围：1Hz100kHz。 (2) 准确度fx/fx 2%。 (3) 测量信号：方波，峰峰值为3V5V。,10,2020/1/29,（1）明确所要设计的系统的逻辑功能 根据被测信号频率范围，有两种测量方法，即测频率和测周期。 所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s)内变化的次数。若在一
6、定时间间隔 T内测得这个周期信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 f=N/T 当被测信号的频率较低时，采用测频方法由量化误差引起的测频误差太大，为此应先测周期Tx，然后计算fx=1/Tx 。,11,2020/1/29,1、测量频率系统框图如图所示,系统由控制器和处理器组成，控制器接收外部标准时钟和系统复位信号。处理器由计数器和锁存器和显示器组成。,（2）确定系统方案并画出结构框图。,12,2020/1/29,COUNT_CLR信号用于在每次测量开始时，对计数模块复位，以清除上次测量的结果。该复位信号高电平有效，持续半个时钟周期的时间。 COUNT_EN信号为计数允许信号，高电平有效。在信号
7、的上升沿开始，对输入信号的频率进行测量。计数器开始对被测信号的脉冲数进行计数，即为信号的频率。 锁存器的功能是使显示的数据稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。,（2）确定系统方案并画出结构框图。,13,2020/1/29,2、测量周期的系统框图如图所示,将待测信号用于生成控制使能信号，对标准时钟信号进行计数显示，最后转换为待测信号的频率。,（2）确定系统方案并画出结构框图。,14,2020/1/29,（3）设计控制器和受控电路,通过分析,测量频率法的控制系统主要由分频系统、闸门电路及定时器构成。受控电路由计数器、锁存器、译码器及显示电路组成，如图所示。,15,2020/1/29,（3）设
8、计控制器和受控电路,16,2020/1/29,（3）设计控制器和受控电路,测量周期法的控制器和受控电路如图所示。,17,2020/1/29,三、用PLD实现数字系统的方法简介,一般PLD器件的开发需要使用集成软件开发系统。 软件开发系统用两种方式建立输入文件。一种是图形设计输入；另一种是硬件描述语言输入，或两种输入的混合方式。 计算机对输入文件进行编译、综合、优化、适配等操作，最后生成供编程用的数据文件，就可编程到芯片中。 有标准的HDL语言：ABEL、Verilog和VHDL。 用HDL设计数字电路与系统，常称为高层次设计。,四、本次课程设计的设计任务,设计题目：1616汉字点阵显示 基本要
9、求： 基于EDA/SOPC系统开发平台和1616点阵显示自己的姓名+学号信息，要求循环显示； 学号后两位为单数的从左至右循环； 学号后两位为双数的从上至下循环； 循环频率统一为2Hz。 扩展要求（酌情加分）： 控制循环频率、方向等。,18,2020/1/29,19,2020/1/29,四、本次课程设计的设计任务,总体要求： 1、采用硬件描述语言方式设计的方法； 2、采用Verilog（VHDL）语言编写控制程序； 3、下载验证设计（每人下载次数不超过3次）。,四、本次课程设计的设计任务,时间安排 1、2012年2月25日上午3、4节南教楼202讲解有关课程设计的内容； 2、2012年2月25日
10、下午2月26日全天，查资料，编程序，基础实验楼B415答疑； 2、2012年3月3日上午3、4节3月4日上午，基础实验楼B415下载验收； 3、2012年3月4日下午14：0015：00，参加闭卷考试。,20,2020/1/29,题目背景说明,应用：公共场合发布信息，LED点阵滚动显示汉字很方便 传统的汉字滚动显示器：单片机、存储器和逻辑电路进行PCB板级的系统集成，优点是有单片机软件支持较为灵活，缺点是受硬件资源限制，未来设计变更和升级困难 新型汉字滚动显示采用EDA技术，基于FPGA和CPLD可编程器件进行系统芯片集成设计方法，代替了基于PCB板的传统设计方式。,21,2020/1/29,
11、题目设计原理,参考原理图如下：,22,2020/1/29,题目设计原理,1616点阵LED内部结构如下图所示：,23,2020/1/29,设计思路,编写程序 VHDL语言或者Verilog HDL语言 软件：Quartus II 步骤：先设计原理图，编写模块程序，软 件编译，波形仿真，封引脚，下载 到硬件中执行观察结果。,24,2020/1/29,设计思路,管脚对应表 见管脚对应表.doc,25,2020/1/29,Quartus II软件介绍,Quartus 设计流程,26,2020/1/29,用户界面,27,2020/1/29,Quartus II软件介绍,Quartus II软件介绍,用
12、户界面包含的功能,28,2020/1/29,Quartus II软件介绍,新建工程,29,2020/1/29,Quartus II软件介绍,点击File-New Project Wizard出现如图 所示的一个对话框,30,2020/1/29,Quartus II软件介绍,点击Next后,31,2020/1/29,Quartus II软件介绍,再点击Next后,32,2020/1/29,Quartus II软件介绍,设计与仿真 File-New,33,2020/1/29,Quartus II软件介绍,模块程序,34,2020/1/29,设计输入后点击保存后出现保存路径对话框，此时注意保存文件名
13、必须与模块名相同，同时按下Ctrl+Shift+J，这时就把freq模块设置成了顶层文件了。如图所示，图中3个圈中的名字必须相同。,Quartus II软件介绍,程序编译,35,2020/1/29,在编译成功后，可以点击File-Create/Update-Create Symbol Files For Current File生成模块图，接下来就可以进行仿真了。,Quartus II软件介绍,建立波形,36,2020/1/29,File-New,Quartus II软件介绍,插入信号节点,37,2020/1/29,Quartus II软件介绍,过滤器,38,2020/1/29,Quartus
14、 II软件介绍,添加节点,39,2020/1/29,然后在Node Found栏将需要的节点通过点击 添加到Selected Nodes栏,Quartus II软件介绍,波形仿真界面,40,2020/1/29,通过运用圈中的功能按钮对输入波形进行编辑，保存,Quartus II软件介绍,仿真设置 点击Processing-Simulator Tool,41,2020/1/29,所有设置完成后点击 就开始仿真了，仿真结束后点击 就可以查看仿真波形了。,Quartus II软件介绍,管脚锁定 管脚锁定前必须要完成下面的工作。一是要在File-New里新建一个Block Diagram/Schema
15、tic Files，将前面设计生成的Symbol Files调进来，将信号线连起来。如下图所示,42,2020/1/29,Quartus II软件介绍,管脚锁定,43,2020/1/29,然后对上面的文件进行编译，编译完以后点击下图中圈中的按钮或菜单assignments/pins，然后编译。,Quartus II软件介绍,下载程序 点击assignments-Device，再点击 ，设置参数。,44,2020/1/29,Quartus II软件介绍,下载界面 Tools-programmer或点击下图圈中的按钮进入下载界面,45,2020/1/29,Quartus II软件介绍,下载界面 点击圈中的Hardwave Setup按钮,46,2020/1/29,Quartus II软件介绍,下载,47,2020/1/29,