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1、第7章 Verilog HDL可综合设计举例,7.1 跑马灯控制器设计 7.2 8位数码扫描显示电路设计 7.3 数控分频器的设计 7.4 乐曲硬件演奏电路设计 7.5 数字跑表和数字钟设计 7.6 Verilog HDL状态机A/D采样控制电路 7.7 交通控制器设计 7.8 空调控制器设计 7.9饮料自动售卖机设计 7.10 小结,7.1 跑马灯控制器设计,设计要求： 共8个LED灯，连成一排。要求实现几种灯的组合显示。具体要求如下： （1）模式1：先奇数灯即第1/3/5/7灯亮0.25s，然后偶数灯即第2/4/6/8灯亮0.25s；依次类推。 （2）模式2：按照1、2、3、4、5、6、7
2、、8的顺序依次点亮所有灯，间隔0.25s；然后再按1、2、3、4、5、6、7、8的顺序依次熄灭所有灯，间隔0.25s。 （3）模式3：按照1/8、2/7、3/6、4/5的顺序依次点亮所有灯，间隔0.25s，每次同时点亮两个灯；然后再按照1/8、2/7、3/6、4/5的顺序依次熄灭所有灯，间隔0.25s，每次同时熄灭两个灯。 （4）以上模式可以选择。,7.1 跑马灯控制器设计,7.1 跑马灯控制器设计,7.1 跑马灯控制器设计,图7-3 跑马灯仿真波形图,7.1 跑马灯控制器设计,图7-4 引脚锁定情况,7.1 跑马灯控制器设计,扩展部分： 请读者思考其他LED显示方式，并实现之。 例如：先循环
3、左移，再循环右移（任一时刻只有一个LED灯亮），然后从两头至中间（任一时刻只有两个LED亮），之后不断重复以上行为。,7.2 8位数码扫描显示电路设计,设计要求： 共8个数码管，连成一排，要求可以任意显示其中一个或多个数码管。具体要求如下： （1）依次选通8个数码管，并让每个数码管显示相应的值，比如：让每个数码管依次显示13579BDF。 （2）要求能在实验台上演示出数码管的动态显示过程。,7.2 8位数码扫描显示电路设计,图7-5共阴数码管及其电路,7.2 8位数码扫描显示电路设计,图7-6 8位数码扫描显示电路,7.2 8位数码扫描显示电路设计,图7-7 数码管顶层模块框图,7.2 8位数
4、码扫描显示电路设计,图7-8 数码管仿真波形图,7.2 8位数码扫描显示电路设计,图7-9 引脚锁定情况,7.2 8位数码扫描显示电路设计,扩展部分： 读者尝试完成以下几种显示方式： （1）8个数码管同时显示，8个段依次显示，即a、b、c、d、e、f、g、dp依次显示，每个段持续显示时间为0.25s时间。 （2）8个段和8个数码管依次显示，a段显示在第1个数码管上，b段显示在第2个数码管上，dp段显示在第8个数码管上，显示持续时间0.25s。 （3）将0F这16个十六制数依次显示在数码管中，每个时刻只有一个数码管显示，持续时间为0.25s：0显示在第1个数码管、1显示在第2个数码管、7显示在第
5、8个数码管、8显示在第1个数码管、F显示在第8个数码管。,7.3 数控分频器的设计,设计要求： （1）对于任意频率可以实现数控分频； （2）对于预定频率，均可以通过分频得到。,7.3 数控分频器的设计,图7-10 分频器模块端口框图,7.3 数控分频器的设计,图7-11 数控分频器的仿真结果,7.3 数控分频器的设计,图7-12 引脚锁定,7.3 数控分频器的设计,扩展部分： （1）利用本节的数控分频器得到的频率，其占空比为50%。若占空比可调，比如占空比为30%，如何实现？提示：可使用两个8位输入数据控制输出脉冲的高低电平持续时间。 （2）尝试使用其他分频器的设计方法。例如第4章提出的方法，
6、并比较这些方法的异同。,7.4 乐曲硬件演奏电路设计,设计要求： （1）利用7.3节的数控分频器设计硬件乐曲演奏电路。 （2）了解乐谱的一些基本知识，可以将乐谱转换为相应的QuartusII文件，掌握其演奏原理。 （3）掌握本设计各模块的功能，能够填入并演奏一些新的曲子。,7.4 乐曲硬件演奏电路设计,图7-13 简谱中音名与音频的对应关系,7.4 乐曲硬件演奏电路设计,图7-14 简谱中音频与分频预置数的对应关系,7.4 乐曲硬件演奏电路设计,图7-15 硬件乐曲演奏电路结构,7.4 乐曲硬件演奏电路设计,图7-16 引脚锁定,7.4 乐曲硬件演奏电路设计,图7-17 梁祝简谱,7.4 乐曲
7、硬件演奏电路设计,图7-18 两只老虎的简谱,7.4 乐曲硬件演奏电路设计,扩展部分 ： 1）填入新的乐曲，如“梁祝”、或其它熟悉的乐曲。操作步骤如下： a、根据所填乐曲可能出现的音符，修改例7-11的音符数据，同时注意每一音符的节拍长短； b、如果乐曲比较长，可增加模块NOTETABA中计数器的位数，如9位时可达512个基本节拍。 （2）在一个ROM装上多首歌曲，可手动或自动选择歌曲 。 （3）结合本实验，读者可以查阅电子琴相关知识并设计一个简易电子琴。 （4）例7-8中的进程DelaySpkS对扬声器发声有什么影响？ 在电路上应该满足哪些条件，才能用数字器件直接输出的方波驱动扬声器发声？,
8、7.5 数字跑表和数字钟设计,设计要求： （1）计时功能：编写一个具有“百分秒、秒、分、小时”计时功能的数字跑表，可以实现一个小时以内精确至百分之一秒的计时。 要求具有复位和暂停功能：复位后，从00:00:00:00开始计数；暂停后，保持现有计数值不变。 （2）校准功能：根据当前时间校准闹钟。即增加一个校时键，增加时、分预置初值按钮，这样可以对小时、分钟进行校准。,7.5 数字跑表和数字钟设计,图7-22 数字钟顶层模块设计,7.5 数字跑表和数字钟设计,图7-23 仿真波形,7.5 数字跑表和数字钟设计,图7-27 引脚锁定,7.5 数字跑表和数字钟设计,图7-28 256Hz转换为100H
9、z的仿真波形,7.5 数字跑表和数字钟设计,扩展部分： （1）校时功能：增加一个校时键，增加4个时、分预置初值按键分别用来调整时、分的各位，这一步由读者自己完成。 （2）闹钟功能：即增加一个闹钟功能键，同时使用校时功能中用到的4个铵键来设置输入闹钟时间。如果当前时间与设置的闹钟时间相同，则扬声器发出蜂鸣声。 （3）思考对于任意系统频率，比如6MHz或者256Hz，如何获得100Hz的百分秒频率。下面给出将256Hz转换成为100Hz的一种实现代码，读者也可以采用其他方法实现。,7.6 Verilog HDL状态机A/D采样控制电路实现,设计要求： 理解掌握ADC0809芯片的工作时序要求； 要
10、求采用状态机来设计实现对A/D转换器ADC0809的采样控制电路。,7.6 Verilog HDL状态机A/D采样控制电路实现,图7-29 ADC0809工作时序,7.6 Verilog HDL状态机A/D采样控制电路实现,图7-30 控制ADC0809采样的状态图,7.6 Verilog HDL状态机A/D采样控制电路实现,图7-32 采样控制模块内部结构图,7.6 Verilog HDL状态机A/D采样控制电路实现,图7-33 引脚锁定,7.6 Verilog HDL状态机A/D采样控制电路实现,扩展部分： （1）在本实验的基础上，增加存储器用于存储AD转换后的数据，设计一个简易存储示波器
11、。 （2）若不采用集成电路芯片ADC0809，可否采用比较器和D/A器件实现A/D转换功能。请查阅相关资料，并给出电路设计。,7.7 交通控制器设计,设计要求： 实现一个常见的十字路口交通灯控制功能。一个十字路口的交通灯一般分为两个方向，每个方向具有红灯、绿灯和黄灯3种。具体要求如下： （1）十字路口包含A、B两个方向的车道。A方向放行1分钟（绿55s，黄5s），同时B方向禁行（红60s）；然后A方向禁行1分钟（红60s），同时B方向放行（绿灯55s，黄灯5s），以此类推，循环往复。 （2）实现正常的倒计时功能，用2组数码管作为A和B两个方向的倒计时显示。 （3）当遇特殊情况时，可通过按hol
12、d键来实现特殊的功能。使A、B方向的红灯亮并且警告灯不停闪烁；计数器停止计数并保持在原来的状态；特殊情况处理完毕后可通过按hold键使交通灯正常运行，并正常计数。 （4）系统已有时钟为64Hz。,7.7 交通控制器设计,图7-34交通控制器模块框图,7.7 交通控制器设计,图7-35 仿真波形图,7.7 交通控制器设计,图7-36 仿真细节（部分仿真图）,7.7 交通控制器设计,图7-37 引脚锁定,7.7 交通控制器设计,扩展部分： 交叉路口复杂多样，因此交通控制器设计也会变化多端。请根据周边的实际交叉路口情况，设计相应的交通控制器。比如，可以考虑在每个方向增加一个左转向灯。,7.8 空调控
13、制器设计,设计要求： （1）采用按键1/2设定温度；通过按键8设定2种工作方式：手动和自动；按键7（正反转，高电平正转低电平反转）、6（停止）在手动方式下控制电机。并将温度设定值在数码管7和8上显示出来。 （2）采用A/D的一个通道（可调电阻）作为温度传感器，检测环境温度（0-42）。并在数码管上1和2上显示出来。 （3）控制直流电机正转、反转和停止。且正转模拟加热装置制热，反转模拟压缩机制冷；停止模拟既不制热也不制冷。采用流水灯指示电机的正、反转和停的状态。即：正转时，流水灯运动方向从左向右；反转时，流水灯运动方向从右向左；停止时，流水灯熄灭。 （4）控制温度精度为1。即当控制器设定在自动（
14、AUTO）模式下，当环境温度低于设定温度1时，电机正转制热；当环境温度高于设定温度1时，电机反转制冷；当环境温度在设定温度1范围之内时，电机停转。,7.8 空调控制器设计,图7-38 空调控制模拟系统整体框图,7.8 空调控制器设计,图7-39 空调控制器的仿真波形,7.8 空调控制器设计,图7-40 引脚锁定,7.8 空调控制器设计,扩展部分： 考虑为空调控制器增加风扇转速显示和控制功能。在空调控制系统中，风扇转速决定了温度变化的快慢，是空调控制器中的一个比较重要的控制变量。,7.9饮料自动售卖机设计,设计要求： （1）自动售饮料机。假定该自动售饮料机仅提供一种饮料，每盒售价为1.5元，该机
15、器上有铵键，按下后表示购买该饮料； （2）投币器只能接受1元硬币和5角硬币； （3）具有找零功能，即只找赎5角； （4）有两个输出口，一个输出饮料，另一个输出找零；在输出饮料和找零时，使用两个指示灯，分别用于提示用户取走饮料和找零； （5）在界面上显著位置显示投币总额和找零值。,7.9饮料自动售卖机设计,图7-41 状态图,7.9饮料自动售卖机设计,图7-43 仿真结果,7.9饮料自动售卖机设计,图7-44 引脚锁定,7.9饮料自动售卖机设计,扩展部分： （1）为本设计添加一个退出购买按钮：按动此钮，则将已投钱币全额退出。 （2）本设计每次仅购买饮料的数量为1，同时提供饮料和找赎功能；请在本设
16、计的基础上，增加一次可购买的饮料数量为N的功能。 （3）本饮料自动售卖机仅提供一种饮料；请在本设计的基础上，将可提供的饮料种类为两种，每种饮料每盒售价为1.5元和2.5元，在相应的饮料下方有铵键。,7.10 小结,在本章，我们讨论了以下知识点： 本章重点介绍了跑马灯控制器8位数码扫描显示电路数控分频器乐曲硬件演奏电路数字跑表和数字钟 Verilog HDL状态机A/D采样控制电路交通控制器空调控制器、饮料自动售卖机等9个设计项目。通过这些项目的学习与模仿，可以达到事半功倍的学习效果。 对于组合逻辑电路来说，重点和难点在于真值表的化简，对于时序逻辑电路来说，重点和难点在于有限状态机的设计。 本章介绍的这些设计，均可以作为一个子模块被其他模块调用，比如在空调控制器的设计中，引用了跑马灯控制器模块和A/D采样控制电路模块。这些设计的学习、理解和掌握为设计更复杂的电路打下了基础。
