嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、等級:課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱專業(yè)設(shè)計(jì)課題名稱基于SOPC的電子鐘設(shè)計(jì)專 業(yè)電子信息工程班 級電信1203學(xué) 號30姓 名李華指導(dǎo)老師賀富朋2016年1月4日電氣信息學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱 基于SOPC的電子鐘設(shè)計(jì)姓 名李華專業(yè)電子信息工程班級1203 學(xué)號30 指導(dǎo)老師賀富朋課程設(shè)計(jì)時(shí)間2015年 12 月 23 日-2016 1 月 4 日（17、18周）教研室意見意見： 審核人：一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1設(shè)計(jì)內(nèi)容以EP2C為核心芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)電子鐘，能顯示時(shí)分秒。利用NiosII進(jìn)行芯片級硬件設(shè)計(jì)（SOPC）,包括為系統(tǒng)配置IP核和為IP核配置相關(guān)應(yīng)用程序，用QuartusII 進(jìn)

2、行C語言編程，使之可以實(shí)現(xiàn)文本瀏覽器功能。再利用SOPC實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和修改。進(jìn)行基于SOPC的電子鐘原理圖設(shè)計(jì)，在NiosII SOPC實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)上調(diào)試，實(shí)現(xiàn)文本電子鐘功能。2、設(shè)計(jì)要求：1、 設(shè)計(jì)思路清晰，給出整體設(shè)計(jì)方案；2、 利用NiosII進(jìn)行芯片級硬件設(shè)計(jì)（SOPC）；3、 考慮在應(yīng)用場合和功能擴(kuò)展兩方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。4 、綜合考慮簡單性，先進(jìn)性，實(shí)用性； 5、寫出設(shè)計(jì)報(bào)告；二、進(jìn)度安排第1周星期一、二：下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書，介紹課題內(nèi)容與要求；查找資料，確定總體設(shè)計(jì)方案；第1周星期三第2周星期三：設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路；仿真分析；第2周星期四、五：書寫設(shè)計(jì)報(bào)告，打印相關(guān)圖紙；答辯

3、；三、參考資料1 SOPC設(shè)計(jì)及應(yīng)用。目錄第1章 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求11.1設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2設(shè)計(jì)要求：1第2章 設(shè)計(jì)思路22.1電子鐘的原理22.2設(shè)計(jì)框圖22.3數(shù)碼管工作原理22.4 SOPC簡介32.5設(shè)計(jì)方案3第3章 各模塊說明43.1計(jì)時(shí)子模塊43.1.1元件圖43.1.2原理圖43.2分頻子模塊53.2.1元件圖53.2.2原理圖53.3動(dòng)態(tài)顯示子模塊63.3.1元件圖63.3.2原理圖63.4頂層模塊7第4章 硬件調(diào)試及仿真84.1仿真調(diào)試結(jié)果84.2硬件調(diào)試結(jié)果9第5章 心得體會(huì)9參考文獻(xiàn)10附錄10第1章 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容以EP2C為核心芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)電子鐘，能顯示時(shí)

4、分秒。利用進(jìn)行芯片級硬件設(shè)計(jì)（SOPC）,包括為系統(tǒng)配置IP核和為IP核配置相關(guān)應(yīng)用程序，用QuartusII 進(jìn)行C語言編程，使之可以實(shí)現(xiàn)文本瀏覽器功能。再利用SOPC實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和修改。進(jìn)行基于SOPC的電子鐘原理圖設(shè)計(jì)，在Nios SOPC實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)上調(diào)試，實(shí)現(xiàn)文本電子鐘功能。1.2設(shè)計(jì)要求： 1、設(shè)計(jì)思路清晰，給出整體設(shè)計(jì)方案； 2、利用NiosII進(jìn)行芯片級硬件設(shè)計(jì)（SOPC）； 3、考慮在應(yīng)用場合和功能擴(kuò)展兩方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 4、綜合考慮簡單性，先進(jìn)性，實(shí)用性； 5、寫出設(shè)計(jì)報(bào)告；第2章 設(shè)計(jì)思路2.1電子鐘的原理數(shù)字鐘的秒是60進(jìn)制，分是60進(jìn)制，小時(shí)是2

5、4進(jìn)制。當(dāng)秒滿59后，再來一個(gè)1hz時(shí)鐘信號,分鐘進(jìn)1；秒和分鐘都滿59時(shí)，再來一個(gè)1HZ時(shí)鐘信號，小時(shí)進(jìn)1；當(dāng)秒，分都滿59，小時(shí)滿23，再來一個(gè)1HZ時(shí)鐘信號，秒、分、小時(shí)都變成00。2.2設(shè)計(jì)框圖圖1 設(shè)計(jì)款圖圖2.3數(shù)碼管工作原理 七段數(shù)碼管是電子開發(fā)過程中常用的輸出顯示設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的是兩個(gè)四位一體、共陰極型七段數(shù)碼管。其單個(gè)靜態(tài)數(shù)碼管如下圖3-1所示。圖2 靜態(tài)七段數(shù)碼管 由于七段數(shù)碼管公共端連接到GND（共陰極型），當(dāng)數(shù)碼管的中的那一個(gè)段被輸入高電平，則相應(yīng)的這一段被點(diǎn)亮。反之則不亮。四位一體的七段數(shù)碼管在單個(gè)靜態(tài)數(shù)碼管的基礎(chǔ)上加入了用于選擇哪一位數(shù)碼管的位選信號端口。八

6、個(gè)數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h、dp都連在了一起，8個(gè)數(shù)碼管分別由各自的位選信號來控制，被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，其余關(guān)閉數(shù)據(jù)。2.4 SOPC簡介 SOPC為可編程片上系統(tǒng)，由FPGA和NIOS兩大模塊組成。2.5設(shè)計(jì)方案 我選擇試驗(yàn)箱提供的24Mhz時(shí)鐘作為最初的時(shí)鐘信號，因?yàn)閿?shù)字鐘的基本單位是秒，所以首先用VHDL語言做一個(gè)分頻模塊，得到1hz的時(shí)鐘信號。然后用VHDL語言做一個(gè)數(shù)字鐘計(jì)數(shù)模塊，得到秒的個(gè)位輸出、秒的十位輸出、分的個(gè)位輸出、分的十位輸出、小時(shí)的個(gè)位輸出、小時(shí)的十位輸出。在QuartusII中打開SOPC Builder ,設(shè)計(jì)CPU,然后通過NIOS IDE編寫C

7、語言，實(shí)現(xiàn)七段碼顯示。設(shè)計(jì)方案框圖如下：數(shù)字鐘vhdl時(shí)鐘秒個(gè)位秒十位分個(gè)位分十位cpu中斷時(shí)個(gè)位時(shí)十位七段碼顯示圖3 設(shè)計(jì)方案框圖第3章 各模塊說明3.1計(jì)時(shí)子模塊3.1.1元件圖 數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)中，計(jì)時(shí)子模塊將1Hz的時(shí)鐘clk1計(jì)數(shù)后產(chǎn)生秒的個(gè)位miao_l與十位miao_h、分的個(gè)位fen_l與十位fen_h和時(shí)的個(gè)位shi_l與十位shi_h的四位二進(jìn)制數(shù)。圖4 計(jì)時(shí)子模塊元件圖3.1.2原理圖 計(jì)數(shù)子模塊由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器將1Hz的時(shí)鐘clk1計(jì)數(shù)后產(chǎn)生秒的個(gè)位四位二進(jìn)制數(shù)miao_l和進(jìn)位信號，再串聯(lián)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器將前一個(gè)進(jìn)位信號計(jì)數(shù)產(chǎn)生秒的十位四位二進(jìn)制數(shù)miao_h和進(jìn)位信號，再串聯(lián)

8、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器將前一個(gè)進(jìn)位信號計(jì)數(shù)產(chǎn)生分的個(gè)位四位二進(jìn)制數(shù)fen_l和進(jìn)位信號，再串聯(lián)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器將前一個(gè)進(jìn)位信號計(jì)數(shù)產(chǎn)生分的十位四位二進(jìn)制數(shù)fen_h和進(jìn)位信號，再串聯(lián)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器將前一個(gè)進(jìn)位信號計(jì)數(shù)產(chǎn)生時(shí)的個(gè)位四位二進(jìn)制數(shù)shi_l和進(jìn)位信號，再串聯(lián)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器將前一個(gè)進(jìn)位信號計(jì)數(shù)產(chǎn)生時(shí)的個(gè)位四位二進(jìn)制數(shù)shi_h。增加一個(gè)判斷電路guiling24，其功能為若時(shí)的十位shi_h和個(gè)位shi_l同時(shí)為4b0010和4b0100，則輸出高電平也即是復(fù)位信號，其與外部復(fù)位信號R或門連接組成復(fù)位模塊。圖5計(jì)時(shí)子模塊原理圖3.2分頻子模塊3.2.1元件圖 數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)中，分頻子模塊將50MHz的cl

9、k50M全局時(shí)鐘分頻后產(chǎn)生1Hz的時(shí)鐘clk1和500Hz的時(shí)鐘clk500，clk1用于計(jì)時(shí)子模塊，clk500用于動(dòng)態(tài)顯示子模塊。圖6 分頻子模塊元件圖3.2.2原理圖 分頻子模塊由六個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器串聯(lián)將50MHz的clk50M時(shí)鐘分頻為500Hz的clk500時(shí)鐘，在串聯(lián)一個(gè)十進(jìn)制和一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器將500Hz的clk500時(shí)鐘分頻為1Hz的clk1時(shí)鐘圖7 分頻子模塊原理圖3.3動(dòng)態(tài)顯示子模塊3.3.1元件圖 在分頻子模塊產(chǎn)生的500Hz的clk500時(shí)鐘下，將計(jì)時(shí)子模塊產(chǎn)生的秒的個(gè)位miao_l與十位miao_h、分的個(gè)位fen_l與十位fen_h和時(shí)的個(gè)位shi_l與十位shi_h

10、的四位二進(jìn)制數(shù)動(dòng)態(tài)顯示。圖8動(dòng)態(tài)顯示子模塊元件圖3.3.2原理圖 動(dòng)態(tài)顯示子模塊由六進(jìn)制計(jì)數(shù)器將分頻子模塊產(chǎn)生的500Hz的clk500時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生四位二進(jìn)制數(shù)，六進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的四位二進(jìn)制數(shù)作用于控制器kongzhi1選擇由計(jì)時(shí)器產(chǎn)生秒的個(gè)位miao_l與十位miao_h、分的個(gè)位fen_l與十位fen_h和時(shí)的個(gè)位shi_l與十位shi_h的四位二進(jìn)制數(shù)中的一個(gè)輸出，再有譯碼器將四位二進(jìn)制數(shù)譯碼為數(shù)碼管的顯示段碼q。六進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生四位二進(jìn)制數(shù)作用于控制器kongzhiqi2產(chǎn)生數(shù)碼管的顯示位碼j。圖9 動(dòng)態(tài)顯示子模塊原理圖3.4頂層模塊圖10 頂層模塊原理圖第4章 硬件調(diào)試及仿真4.1仿

11、真調(diào)試結(jié)果仿真波形如下圖11 正常運(yùn)行波形圖12 清零后繼續(xù)運(yùn)行波形4.2硬件調(diào)試結(jié)果圖13 頂層模塊調(diào)試圖 用QuartusII 進(jìn)行C語言編程，編好程序之后，將程序下載到EP2C芯片里，點(diǎn)擊開始按鈕，記錄時(shí)間為00：09：02，點(diǎn)擊清零按鈕后時(shí)間恢復(fù)為00：00：00。當(dāng)記錄好時(shí)間后關(guān)閉電源。第5章 心得體會(huì) 通過本次實(shí)習(xí)，了解了SOPC硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及基于此硬件系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。學(xué)會(huì)利用NiosII芯片級硬件設(shè)計(jì)。也學(xué)會(huì)了用QuartusII 進(jìn)行C語言編程，用SOPC實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和修改。實(shí)習(xí)過程我們互相討論，相互幫助，有難題問同學(xué)，問老師，網(wǎng)上查找資料，

12、其中稍有出現(xiàn)錯(cuò)誤就要一個(gè)一個(gè)的排查，工作量很大，因此保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和重要。經(jīng)歷多次失敗，最后克服困難調(diào)試出結(jié)果，收獲喜悅，意識(shí)到了團(tuán)隊(duì)合作的高效率。參考文獻(xiàn)：1楊玲. 基于SOPC和FPGA的LCD電子鐘設(shè)計(jì)J. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2011,03:77-79.2方茁,彭澄廉,陳澤文. 基于NIOS的SOPC設(shè)計(jì)J. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2004,04:504-507.3范茂彥,沐士光,張麗芳. 可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的應(yīng)用與發(fā)展J. 玉溪師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007,08:33-36.附錄源程序如下：module jishuqi_6(CP,R,Q,C0); input CP,R; output re

13、g3:0 Q; output reg C0; always(posedge CP or posedge R ) if(R=1) begin C0<=0; Q<=0; end else if(Q=5) begin C0<=1; Q<=0; end else begin Q<=Q+1; C0<=0; endendmodule/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器module jishuqi_10(CP,R,Q,C0); input CP,R; output reg3:0 Q; output reg C0; always(posedge CP or posedge R ) if(R=1)

14、 begin C0<=0; Q<=0; end else if(Q=9) begin C0<=1; Q<=0; end else begin Q<=Q+1; C0<=0; endendmodule/24小時(shí)歸零module guiling24(a,b,R24); input 3:0 a,b; output reg R24; always(a,b) begin if(a=2) if(b=4) R24=1; else R24=0; else R24=0; endendmodule/譯碼module yimaqi7(a,q); input 3:0 a; outpu

15、t reg7:0 q; always(a)begin case(a) 4'h1:q=8'b10000110; 4'h2:q=8'b11011011; 4'h3:q=8'b11001111; 4'h4:q=8'b11100110; 4'h5:q=8'b11101101; 4'h6:q=8'b11111101; 4'h7:q=8'b10000111; 4'h8:q=8'b11111111; 4'h9:q=8'b11101111; default:q=8&#

16、39;b10111111; endcaseendendmodule/顯示控制電氣信息學(xué)院課程設(shè)計(jì)評分標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)項(xiàng)目評價(jià)優(yōu)良中及格不及格實(shí)踐環(huán)節(jié)（70%）1、 設(shè)計(jì)方案合理性與創(chuàng)造性2、 軟件編程完成情況3、 軟件仿真調(diào)試情況4、 硬件制作完成情況5、 硬件測試過程及結(jié)果6、 解決問題能力及答辯情況7、 紀(jì)律和出勤情況設(shè)計(jì)報(bào)告（30%）1 設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容完整、規(guī)范2 設(shè)計(jì)步驟規(guī)范、正確3 仿真調(diào)試結(jié)果正確、波形清楚4 硬件測試過程規(guī)范、結(jié)果正確綜合評價(jià)課程設(shè)計(jì)成績評定為：優(yōu) 良 中 及格 不及格 指導(dǎo)老師簽名：_ 日 期：_報(bào)告撰寫要求（此頁不打印）課程設(shè)計(jì)報(bào)告是體現(xiàn)課程設(shè)計(jì)成果的載體，具體要求如下

17、：1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的基本格式（1）說明書統(tǒng)一使用word文檔打印，A4紙張，頁邊距設(shè)置為：正文用宋體小四號字，版面上空2.2cm，下空2.2cm，左空2.5cm(包括裝訂線)，右空2.5cm。行距22。（2）正文采用宋體小四， 1級標(biāo)題采用黑體小二，2級標(biāo)題采用黑體小三，3級標(biāo)題采用黑體四，第四層次及以下題序和標(biāo)題均用小四號黑體字。1和2級標(biāo)題段落間距為上下12磅。（3）圖表需統(tǒng)一編號，圖標(biāo)標(biāo)題采用黑體五號；圖標(biāo)題在圖片下方，表格標(biāo)題在表格上方。（4）裝訂順序?yàn)椋悍饷妗⑷蝿?wù)書、報(bào)告正文、評分表。2、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫要求（1）設(shè)計(jì)報(bào)告正文內(nèi)容為10-20頁為宜，主要內(nèi)容為自己的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)步驟、關(guān)鍵性步驟的記錄、重要結(jié)果的記錄以及自己本次課程設(shè)計(jì)的總結(jié)。報(bào)告撰寫要求思路清晰、結(jié)構(gòu)合理、層次清晰，報(bào)告簡潔但又要能體現(xiàn)設(shè)計(jì)過程。（2）報(bào)告中圖表要求清晰、規(guī)范，圖表的尺寸大小適當(dāng)。（3）課程設(shè)計(jì)報(bào)告