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1、精选优质文档-倾情为你奉上EDA综合设计与实践一、设计目的和要求1.熟练掌握QuartusII软件的使用方法和系统总体设计。2.学会设计较复杂的数字系统，用Verilog HDL描述语言编写设计代码，并综合仿真验证设计，用FPGA试验箱验证设计。3.学习FPGA试验箱的使用，各种电路图的引脚接法及其功能。4.本实验要求学生以FPGA器件为目标器件，设计典型的数字系统。本设计选题为交通灯控制系统设计。二、设计方案：方案一：（1）明确系统的功能图1-1所示为位于主干道和支干道的十字路口交通灯系统，支干道两边是安装传感器S，要求优先保证主干道的畅通。平时处于主干道绿灯、支干道红灯的状态。当支干道有车
2、时，传感器发出信号S=1，主干道绿灯先转换成黄灯再转换成红灯，支干道由红灯转换为绿灯，支干道绿灯亮不超过30s，主干道每次通行不少于60s（在此期间，不管S是否有信号，都不改状态）。（2）画状态转换图说明：1）Tl：主干道绿灯亮的最短时间间隔，不少于60s；2）Ts：支干道绿灯亮的最长时间间隔不多于30s。3）Ty：主干道或支干道黄灯亮的时间间隔为5s4）HR、HY、HG分别表示主干道红黄绿灯；5）FR、FY、FG分别表示支干道红黄绿灯。注：H表示Header，F表示Follower，R表示Red，Y表示Yellow，G表示Green交通灯控制单元控制过程分四个阶段：分别用S0，S1，S2，S
3、3表示：S0：主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时若支干道有车等待，且主干道已亮足时间Tl，则控制器发出状态转换信号，输出从S0转换到S1。S1：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，进入此状态，黄灯亮足规定时间间隔Ty时，控制器发出状态转换信号St，输出从此状态S1到S2。S2：支干道绿灯亮，主干道红灯亮，若此时支干道继续有车，则继续保持此状态，但支干道绿灯亮时间不超过Ts时间间隔，否则控制单元发出状态转换信号St，使输出转换到S3状态。S3：支干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时状态与S1状态持续时间间隔相同，均为Ty，时间到时，控制器发出St信号，输出从状态S3回到S0状态。对四种状态用格雷码编码分别为00
4、,01,11,10。由此得图1-2交通灯控制单元状态图。方案二：本方案相对上一个方案加入了人工监督，且采用模块化设计。 （1）明确系统的功能，进行逻辑抽象如图2-1本方案可实现在确定时刻，倒计数数字显示能够及时变化，红黄绿灯能准确变化，考虑到实际应用，加入人工监督功能，当固定开关SW=0时，实现交警人为控制交通秩序，当SW=1时，为自动控制模式，默认为SW=1。本设计采用模块化设计，图2-2为本设计十字路口交通等系统的层次结构框图。(2)模块功能说明1.主控制模块control：控制系统输入输出之间联系。2.倒计时模块时间选择模块couterselect：选择不同的倒计时时间。3.倒计时时间驱
5、动模块scan：驱动倒计时时间长短选择模块电路。4.数码管分时显示模块datamux，倒计时间分时送入用于显示。5.倒计55s模块counter55，55s为绿灯点亮时间。6.倒计5s模块counter5,5s为黄灯点亮时间。7.顶层模块trafficlight，连接各模块设计，使之成为一个有机体。前6个模块分别进行仿真测试，成功后把所有.v文件包含在工程trafficlight，实现模块化设计。三、特殊要求（需要实验室提供的仪器设备、元器件和材料）PC机，windows系统，Quartus II 4.0软件，基于Cyclone型EP16Q240C8的实验箱。四、设计及仿真综合两个方案考虑，方
6、案二比较实用，但因为方案一容易实现，所以一开始做了方案一的设计，后来有时间，又完成了方案二。具体如下设计。方案一：（1）代码见附录1。（2）仿真结果及数据处理：分析说明：全局复位R=1无效，进入系统工作，先是主干道绿灯亮足60个时钟周期，因S=1，支干道有车等待，转入主干道黄灯亮5个时钟周期，然后进入支干道绿灯亮，30个时钟周期内支干道没车等待，所以S=0时转入主干道绿灯亮状态。通过仿真，可以看出本设计的逻辑上时序上是正确的。图1-3 方案一设计Functional仿真图1-3 方案一设计Timing仿真图1-3 方案一设计RTL（3）下载测试编程下载和硬件测试的步骤如下：1、 打开下载窗口。
7、选择菜单“Tool“项的”programmer“,便可打开下载窗口。2、 设置下载电缆。将ByteBlaster电缆的一端与微机的并行口相连，另一端10针插头与装有目标器件的PCB板上的插座相连。并在”Hardware Setup”中设置下载电缆。3、设置JTAG链。Altera器件基本都支持JTAG在系统编程方式，这种方式简单易行，不需要专门的编程器。4、选用模式NO.6（见附录3）如图1-4分配引脚，并编译后，把生成*.sof文件下载到基于Cyclone型EP16Q240C8的FPGA实验箱开发板上，成功查看结果，CLK时钟频率用1Hz，可通过实验箱上“键3”控制Reset全局复位，用“键
8、5”可模拟传感器S的输入。图1-4 配置引脚方案二（1）代码见附录2。（2）各模块RTL电路及功能仿真、时序仿真各模块分别建立工程文件，并进行功能仿真、时序仿真，前六个模块成功编译，得到正确仿真结果后，建立顶层模块。1） 模块一：控制模块（control.v）图2-3 控制模块control.v的RTL图2-4 控制模块control的Functional仿真图2-5 控制模块control的Timing仿真2）模块二：5s倒计时模块（counter5.v）图2-6 5s倒计时模块counter5.v的RTL图2-7 5s倒计时模块counter5.v的Functional仿真图2-8 5s倒
9、计时模块counter5.v的Timing仿真分析说明：通过功能仿真，可以看出5s倒计时模块不存在逻辑上错误，可以通过；通过时序仿真，可以看到结果存在毛刺，但是结合实际应用，可以接受，所以通过这一模块的设计。3）模块三：55s倒计时模块（counter55.v）图2-9 55s倒计时模块counter55.v的RTL图2-10 55s倒计时模块counter55.v的Functional仿真图2-11 55s倒计时模块counter55.v的Timing仿真分析说明：通过功能仿真和时序仿真，可以看出55s倒计时模块不存在逻辑、时序上错误，所以通过这一模块的设计。4）模块四：倒计时选择（cout
10、erselect.v）图2-12 倒计时选择模块couterselect.v的RTL图2-13 倒计时选择模块couterselect.v的Functional仿真图2-14 倒计时选择模块couterselect.v的Timing仿真分析说明：D_OUT1选择高位输出，用于选择驱动55秒倒计时计时器，分别在状态输入为“00”“10”这两种状态，即对应的绿灯时间，输出高电平，实现55秒倒计时计数器D_OUT0：时间低位输出，用于选择驱动5秒倒计时计时器，分别在输入为“01”“11”时，即对应黄灯点亮时间，输出高电平，实现5秒倒计时。通过功能仿真和时序仿真，可以看出倒计时选择模块不存在逻辑、时序
11、上错误（虽然时序仿真有毛刺显现，但是结合实际应用，可以接受），所以通过这一模块的设计。5）模块五：数据选择显示（datamux.v）图2-15 数据选择显示datamux.v的RTL图2-16 数据选择显示datamux.v的Functional仿真图2-17 数据选择显示datamux.v的Timing仿真分析说明：倒计时模块主要完成的工作是：倒计时长短时间选择的功能，输入信号来自两个倒计时模块counter55和counter5，当倒计数完成时产生一个脉冲用于驱动此模块产生00，01，10，11序列来驱动倒计时时间模块选择。D_in1：高位驱动信号，来源于55秒计时到信号，当计数器计时完成
12、后，产生这个信号驱动状态变化。D_in0：低位驱动信号，来源于5秒计时到信号，当计数器计时完成后，产生这个脉冲来驱动状态的变化。通过功能仿真和时序仿真，可以看出数据选择显示模块不存在逻辑、时序上错误（虽然时序仿真有毛刺显现，但是结合实际应用，可以接受），所以通过这一模块的设计。6）模块六：时间选择驱动（scan.v）图2-18 时间选择驱动scan.v的RTL图2-19 时间选择驱动scan.v的Functional仿真图2-20 时间选择驱动scan.v的Timing仿真分析说明：此模块用于驱动倒计时时间长短选择。模块七：顶层模块（trafficlight.v）图2-21 方案二设计RTL图
13、2-22 方案二设计的Functional仿真（SW=1，自动控制模式）图2-23 方案二设计的Functional仿真（SW=0，人工监督模式）图2-24 方案二设计的Timing仿真（SW=1，自动控制模式）图2-25 方案二设计的Timing仿真（SW=0，人工控制模式）分析说明：建立trafficlight项目，并设计顶层模块trafficlight.v，成功编译。通过功能仿真和时序仿真，可以看出本设计已经成功完成。达到目标：实现在确定时刻，倒计数数字显示能够及时变化，红黄绿灯能准确变化，当固定开关SW=0时，实现交警人为控制交通秩序，当SW=1时，为自动控制模式，默认为SW=1。（3
14、）下载测试编程下载和硬件测试的步骤如下：1、 打开下载窗口。选择菜单“Tool“项的”programmer“,便可打开下载窗口。2、 设置下载电缆。将ByteBlaster电缆的一端与微机的并行口相连，另一端10针插头与装有目标器件的PCB板上的插座相连。并在”Hardware Setup”中设置下载电缆。3、设置JTAG链。Altera器件基本都支持JTAG在系统编程方式，这种方式简单易行，不需要专门的编程器。4、选用模式NO.1（见附录3），如图2-26分配引脚，并编译后，把生成*.sof文件下载到基于Cyclone型EP16Q240C8的FPGA实验箱开发板上，成功查看结果，CLK时钟频
15、率用1Hz，可通过实验箱上“键7”控制Reset全局复位，用“键8”可控制SW选择自动模式或人工监督模式。图2-26五、设计总结经过此次课程设计，可以说收获良多，现总结为以下几点：1、熟悉掌握了Quartus这个软件。虽然上课时候已经看老师展示过这个软件的用法，但是没有亲力亲为始终对这个软件的掌握是很不够的。此次通过设计以上两个方案，我对Quartus II这个软件已经掌握的比较好了。2、通过以上两个方案的设计，我对正规的设计流程已经有了深刻的体会，相信以后遇到这种设计可以自如地应对了。可以设计遇到中案的设计够3、通过设计代码过程中遇到编译错误的问题，经过一次次的排错，我对Verilog HDL描述语言的掌握得到一定的锻炼。4、设计工程中，让我感慨最多的是功能仿真和时序仿真，通过看仿真图，理解系统运行，优化系统，这是一个艰巨的任务，也是一个
