《基于fpga的自动打铃器设计本科论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于fpga的自动打铃器设计本科论文.doc（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于FPGA的自动打铃器的设计 学 院 电 子 工 程 学 院 学 号 11111010103 班 级 A1121班 专 业 电 子 信 息 工 程 姓 名 何树良 指 导 教 师 罗静 目 录第一章 绪论41.1选题目的41.2 FPGA的发展历程41.2.1 FPGA的优点51.3器件及工具介绍51.3.1 Quartus设计步骤5第二章 系统方案设计52.1设计方案分析与选择52.2自动打铃器总体构成62.3分频模块设计72.4消抖模块设计82.5时钟模块设计82.5.1秒计数模块92.5.2分计数模块92.5.3时计数模块102.5.4调时模块112.6闹钟模块设计122.6.1定时模
2、块122.6.2比较模块132.7打铃模块设计152.8报警模块设计172.8.1报警时长设定模块172.8.2蜂鸣器发声模块172.9显示模块设计182.9.1时间切换模块182.9.2动态扫描模块202.10按键电路设计22第三章 实验结果分析223.1测试过程223.2结果分析23参考文献25附 录26 摘 要自动打铃器为学校上下课时间的准确控制提供了很大的便利，并且在工厂、办公室等场合也起到了提醒人们时间的作用，因此打铃器的设计有一定的实用意义。本设计的学校打铃器采用基于现场可编程门阵列（FPGA）的方法，底层模块采用硬件描述语言（HDL）设计，不仅能对时、分、秒正常计时和显示，而且还
3、可进行闹铃时间的设定，上下课时间报警，报警时间1-15秒设置。系统主芯片采用美国Altera公司的EP3C40F484I7器件，由时钟模块、控制模块、闹钟模块、定时模块、数据译码模块、显示以及报时等模块组成，由按键进行时钟的校时、清零、启停等。本文在介绍FPGA器件的基础上，着重阐述了如何使用FPGA器件进行系统的开发，以及如何实现学校打铃系统。通过仿真验证及实际测试，打铃器具有正常计时、定时报警、报警时长设定等功能，可为日常作息提供准确、便捷的提醒。系统运行稳定，设计方法可行。关键词：打铃器 现场可编程门阵列 硬件描述语言 第一章 绪论1.1选题目的当今社会，电子技术的应用无处不在，电子技术
4、正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的时钟给人们带来了极大的方便。近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对时钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，自动打铃器就是以时钟为基础的，在平时校园生活中是必不可少的工具。自动打铃器的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了时钟原先的报时功能。诸如定时自动报警、定时启闭电路、定时开
5、关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以时钟数字化为基础的。因此，研究时钟及扩展应用，有着非常现实的意义。本设计将借助EDA技术，完成基于FPGA器件的学校打铃器的设计。EDA技术的发展经历了一个由浅到深的过程，先后经历了CAD、CAE和现代意义上的EDA三个阶段。在可编程逻辑器件（PLD）内部，数字电路可用硬件描述语言可以进行方便的描述，经过生成元件后可作为一个标准元件进行调用。同时，借助于开发设计平台，可以进行系统的仿真和硬件测试等。对于数字电子技术实验和课程设计等，特别是数字系统性的课题，借助PLD器件和硬件描述语言等开发手段，即可设计出各种比较复杂的数字系统
6、，如设计频率计、交通控制灯、秒表等，有助于实验质量的提高和对学生综合能力的锻炼。同时，作为电子信息工程专业的学生，EDA技术应用于毕业设计中，可快速、经济地设计各种高性能的电子系统，并且很容易实现、修改及完善。1.2 FPGA的发展历程作为一种可编程逻辑器件，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的出现是PLD发展变化的必然，他的出现推动着可编程逻辑器件的进一步发展。因此说，了解了可编程逻辑器件的发展历程，也就了解了FPGA的发展历程。PLD是20世纪70年代发展起来的一种新型器。它的应用不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且
7、给数字系统的设计方式带来了革命性的变化，其结构和工艺的变化经历了一个不断发展的过程。20世纪70年代，早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）3种。随后，出现了一类结构稍微复杂的可编程芯片，即可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）。PLA在结构上由一个可编程的与阵列和可编程的或阵列构成，阵列规模小，编程过程复杂繁琐。PLA既有现场可编程的，又有掩膜可编程的2。1.2.1 FPGA的优点概括地说，FPGA器件具有下列优点：高密度、高速度、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗
8、、低成本，设计灵活方便，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证。使用FPGA器件，一般可在几天到几周内完成一个电子系统的设计和制作，可以缩短研制周期，达到快速上市和进一步降低成本的要求。用FPGA器件实现数字系统时用的芯片数量少，从而减少芯片的使用数目，减少印刷线路板面积和印刷线路板数目，最终导致系统规模的全面缩减3。1.3器件及工具介绍1.3.1 Quartus设计步骤Quartus II 是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式。内嵌自有的综
9、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4。其设计流程包括设计输入、编译、仿真与定时分析、编程与验证。设计输入包括原理图输入、HDL 文本输入、EDIF 网表输入、波形输入等几种方式。编译时要根据设计要求设定编译方式和编译策略，然后根据设定的参数和策略对设计项目进行网表提取、逻辑综合、器件适配，供分析、仿真和编程使用。设计完成后需要进行仿真，可以测试设计的逻辑功能和延时特性。最后可以用得到的编程文件通过编程电缆配置PLD，进行在线测试。在设计过程中，如果出现错误，则需重新回到设计输入阶段，改正错误或调整电路后重新测试。第二章 系统方案设计2.1设计方案分析与选择方案一：
10、采用通用数字器件来设计。比如，打铃器结构组成中最基本的是数字钟。数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。采用此方法设计数字钟通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。基于此设计方案的数字钟部分结构组成如图2-1所示。图2-1 数字钟部分结构组成2.2自动打铃器总体构成本设计内容为基于FPGA的学校打铃器，控制器底层模块采用硬件描述语言设计，顶层模块设计方法采用原理图方式；打铃器具有计时功能，能对时、分、秒正常计时和显示；又具有定时打铃功能，当设定的打铃时间
11、与学校上下课时间点相同时打铃；并且计时时间、定时时间、打铃时长（1S15S内）自由设置和调整，其数据信息通过数码管或LCD显示。学校打铃器总体设计框图如图2-2所示。振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位，分计数器满60后向小时计数器进位，小时计数器按照“24翻1”规律计数。计满后各计数器清零，重新计数。计数器的输出分别经译码器送数码管显示。在控制信号中除了一般的校时信号外，还有时钟清零信号。时基电路可以由石英晶体振荡电路构成，晶振频率为25MHz，经过分频可得到秒脉冲信号。译码显示电路由七段译码器完成，显示由数码管构成
12、。图2-2 学校打铃器总体设计框图2.3分频模块设计本设计FPGA外部使用的是25MHz晶振，在其内部再根据需要进行分频。如图2-3所示为分频模块连接图。分频模块由25k分频、200分频、5分频、50k分频、250分频组成。其中25k分频的输出作为按键消抖模块的输入时钟信号，其频率为1kHz；200分频的输出作为计时模块调分模块的时钟输入，其频率为5Hz，周期为0.2s；5分频的输出作为计时模块中秒计时的输入，为1Hz频率的1s时钟信号；50k分频的输出作为动态扫描模块的输入时钟，其频率为500Hz；250分频的输出作为计时模块调时模块的输入时钟，其频率为2Hz，周期为0.5s。图2-3 分频
13、模块连接图现以5分频为例进行仿真，当时钟到第五个上升沿时，输出由“0”变为“1”，下降沿时又由“1”变为“0”，产生一个脉冲。满足设计要求。2.4消抖模块设计在本设计初期完成后，下载程序测试时，拨动按键或者按下按键时显示出现异常，这就需要加入按键消抖模块。按键消抖模块一般有硬件和软件两种方式，硬件就是加入去抖动电路，这样从根本上解决了按键抖动问题，除了专用电路以外，还可用编程FPGA或者CPLD设计相应的逻辑和时序电路，对按键信号进行处理，同样可以达到去抖动的目的，本次设计中采用硬件模块消抖动方式。模块的实现方法是先判断是否有按键按下，如有按键按下则延时一段时间，待抖动过去之后再读行线状态，如
14、果仍有低电平行线，则确定有按键按下，然后产生一个有按键按下的信号。该模块有一个时钟输入端口，输入时钟信号是分频出来的1kHZ的时钟；有一个输入端口与按键端相连；一个输出端口，用于输出有按键按下的信号。如图2-4所示为消抖模块符号图。图2-4 消抖模块符号图本设计的按键消抖模块内部电路相当于一个D触发器，该模块在这里实现的比较简单，原理是当有按键按下的时候，d会变成高电平，当有时钟上升沿到来且按键按下时，q输出高电平。由于时钟脉冲为1kHZ，故从有按键按下到输入信号产生大概需要1ms。而按键产生抖动的时间大约2ms到10ms，所以一旦计数完成，抖动已经过去，不会发生重键现象了，这样就去除了抖动。如图2-5所示为按键消抖模块波形仿真图。图2-5消抖模块波形仿真2.5时钟模块设计时钟模块是学校打铃器最基本的模块，主要实现基本计时、调时、调分功能，包括秒计数模块、分计数模块、时计数模块和调时模块。2.5.1秒计数模块如图2-9所示为秒计数模块符号图。输入端口clr是秒计数模块的清零信号，也是整个数字中的使能信号，低电平有效； cp是秒脉冲输入端口，外接分频模块频率为1Hz的时钟信号；输出端口sqmsl3.0是秒时钟的低位，sqmsh3.0是高位；co端口是进位输出端口，当秒计数到59时输出高电平，其它时候输出低电平。图2-9 秒计数模块
