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文檔簡介
1、武漢理工大學(xué)硬件描述語言與數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書I目錄1、設(shè)計(jì)原理11.1 FPGA的介紹11.2 VHDL的介紹11.3頻率的測量原理12、分模塊的設(shè)計(jì)12.1 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)12.2 頻率計(jì)算32.3 檔位選擇部分42.4 譯碼器模塊的設(shè)計(jì)53、下載測試64、總結(jié)與體會(huì)7參考文獻(xiàn)8附錄91所有的代碼9II摘要隨著時(shí)代的快速發(fā)展,頻率測量的需求在現(xiàn)實(shí)生活中越來越多,也對(duì)頻率測量精度的要求越來越高。傳統(tǒng)的基于電路板的頻率計(jì)在頻率較高時(shí),由于電路的高頻效應(yīng),其測量精度會(huì)大大下降。為了解決傳統(tǒng)測量方法在高頻的應(yīng)用問題,產(chǎn)生了基于FPGA的頻率計(jì)。本文主要介紹基于Cyclone V SoC 5CSE
2、MA5F31C6的用VHDL語言編寫的頻率測量系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:FPGA,VHDL,頻率計(jì)。武漢理工大學(xué)硬件描述語言與數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書1、設(shè)計(jì)原理1.1 FPGA的介紹1.2 VHDL的介紹1.3頻率的測量原理 頻率的即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的次數(shù),在電路中,頻率可以解釋為周期信號(hào)正脈沖的個(gè)數(shù),電子計(jì)數(shù)器測頻有兩種方式:一是直接測頻法,即在單位時(shí)間內(nèi)測量被測信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù);二是間接測頻法,如周期測頻法3。直接測頻法適用于高頻信號(hào)的頻率測量,間接測頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測量。本次設(shè)計(jì)采用的頻率測量方法為直接測頻法。 電路主要有兩部分組成,第一部分是頻率測量部分,用于測量出單位時(shí)間內(nèi)周期信號(hào)的正脈沖
3、數(shù),第二部分是顯示部分,用于對(duì)電路測量的頻率進(jìn)行顯示;在本次設(shè)計(jì)中,用6個(gè)7段共陰數(shù)碼管進(jìn)行顯示。2、分模塊的設(shè)計(jì)2.1 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)器模塊的主要功能是測量脈沖的數(shù)目,在設(shè)計(jì)中,測量周期信號(hào)的正脈沖的數(shù)目;計(jì)數(shù)器在工作時(shí),其輸入端來一個(gè)上升沿,計(jì)數(shù)器的值加一,計(jì)數(shù)部分的代碼如下所示:PROCESS(CLK,CLEAR)BEGINIF CLK'EVENT AND CLK='1' THENIF COUNT1_1>8 THEN COUNT1_1<=0;COUNT1_2<=COUNT1_2+1; IF COUNT1_2>8 THEN COUNT1_
4、2<=0;COUNT1_3<=COUNT1_3+1;IF COUNT1_3>8 THEN COUNT1_3<=0;COUNT1_4<=COUNT1_4+1;IF COUNT1_4>8 THEN COUNT1_4<=0;COUNT1_5<=COUNT1_5+1;IF COUNT1_5>8 THEN COUNT1_5<=0;COUNT1_6<=COUNT1_6+1;END IF;END IF;END IF;END IF;ELSE COUNT1_1<=COUNT1_1+1;END IF;END IF;IF SUM>COUN
5、T THENOVERFLOW<='1'ELSE OVERFLOW<='0'END IF;IF CLEAR='0'THENCOUNT1_1<=0;COUNT1_2<=0;COUNT1_3<=0;COUNT1_4<=0;COUNT1_5<=0;COUNT1_6<=0;END IF;END PROCESS;在計(jì)數(shù)器中,共有6個(gè)計(jì)數(shù)變量,均為10進(jìn)制,低位計(jì)數(shù)變量計(jì)滿后向高位進(jìn)位,6個(gè)計(jì)數(shù)變量共同構(gòu)成一個(gè)6位計(jì)數(shù)器,最大計(jì)數(shù)上限為999999。2.2 頻率計(jì)算 頻率的計(jì)算,即指取出在一秒鐘時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)器的
6、計(jì)數(shù)值,所得的值即為頻率。頻率計(jì)算部分的代碼如下所示:PROCESS(F_IN_50MHZ,OVERFLOW)VARIABLE SECOND : STD_LOGIC_VECTOR(30 DOWNTO 0);BEGIN IF F_IN_50MHZ'EVENT AND F_IN_50MHZ='1'THEN SECOND:=SECOND+1; IF OVERFLOW='1' THEN COUNT1_1_1<=15; COUNT1_2_1<=15; COUNT1_3_1<=15; COUNT1_4_1<=15; COUNT1_5_1<
7、;=15; COUNT1_6_1<=15; ELSE IF SECOND > 50000000 THEN SECOND:=(OTHERS=>'0'); COUNT1_1_1<=COUNT1_1; COUNT1_2_1<=COUNT1_2; COUNT1_3_1<=COUNT1_3; COUNT1_4_1<=COUNT1_4; COUNT1_5_1<=COUNT1_5; COUNT1_6_1<=COUNT1_6; CLEAR<='0' ELSE CLEAR<='1' END IF;
8、END IF; END IF;END PROCESS;當(dāng)計(jì)算的頻率值大于設(shè)定的量程之后,輸出的頻率值為16進(jìn)制的FFFFFF,即輸出單個(gè)計(jì)數(shù)器的值為15,以提示溢出測量范圍。2.3 檔位選擇部分 設(shè)計(jì)要求檔位分為三檔,分別為010K、0100K、01000K。故需要設(shè)計(jì)檔位選擇部分,檔位選擇部分代碼如下所示:PROCESS(F_SELECT)BEGINIF F_SELECT ="001" THENCOUNT<=10000;LIGHT1<='0'LIGHT2<='0'LIGHT3<='1'ELSIF F_
9、SELECT ="010"THENCOUNT<=100000;LIGHT1<='0'LIGHT2<='1'LIGHT3<='0'ELSIF F_SELECT ="100"THENCOUNT<=1000000;LIGHT1<='1'LIGHT2<='0'LIGHT3<='0'END IF;END PROCESS;當(dāng)選擇輸入為001時(shí),選擇010K檔,當(dāng)選擇輸入為010時(shí),選擇0100K檔,當(dāng)選擇輸入為100時(shí),選擇
10、01000K檔,并亮相應(yīng)檔位的指示燈。2.4 譯碼器模塊的設(shè)計(jì) 由于要設(shè)計(jì)一個(gè)譯碼0F值得譯碼器,共需輸入16個(gè)值,所以要四位輸入端,輸出部分接數(shù)碼管,由于數(shù)碼管是7位的,所以輸出有7位,設(shè)計(jì)的譯碼器模塊代碼如下所示:LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY DCD_TO_SMG ISPORT(INPUT : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);OUTPUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END ENTITY;ARCHITECTURE BHV OF DCD_TO_SMG I
11、SBEGINPROCESS(INPUT)BEGINCASE INPUT ISWHEN "0000" => OUTPUT <="0000001"WHEN "0001" => OUTPUT <="1001111"WHEN "0010" => OUTPUT <="0010010"WHEN "0011" => OUTPUT <="0000110"WHEN "0100" =>
12、; OUTPUT <="1001100"WHEN "0101" => OUTPUT <="0100100"WHEN "0110" => OUTPUT <="0100000"WHEN "0111" => OUTPUT <="0001111"WHEN "1000" => OUTPUT <="0000000"WHEN "1001" => OUT
13、PUT <="0000100"WHEN "1010" => OUTPUT <="0001000"WHEN "1011" => OUTPUT <="1100000"WHEN "1100" => OUTPUT <="0110001"WHEN "1101" => OUTPUT <="1000010"WHEN "1110" => OUTPUT &
14、lt;="0110000"WHEN "1111" => OUTPUT <="0111000"WHEN OTHERS => NULL;END CASE;END PROCESS;END ARCHITECTURE;3、下載測試 代碼寫好后用Quartus進(jìn)行編譯,編譯完后用Quartus自帶的下載工具下載到實(shí)驗(yàn)箱中4,然后連接好外接信號(hào)源與FPGA之間的電路,打開信號(hào)源,加載信號(hào),信號(hào)波形為方波,幅值為3.3Vp-p,頻率從1Hz到1000KHz變化,觀察FPGA上數(shù)碼管的顯示的頻率與信號(hào)源顯示的信號(hào)的頻率是否相等。經(jīng)測試
15、當(dāng)信號(hào)頻率在500KHz以下時(shí),數(shù)碼管顯示的頻率與信號(hào)源的頻率長時(shí)基本相同,瞬時(shí)相差±1Hz。500KHz以上時(shí) ,數(shù)碼管顯示的數(shù)在信號(hào)源頻率附近浮動(dòng),為了確定是電路的信號(hào)傳輸問題還是寫的電路的功能的問題,寫了一個(gè)分頻模塊,用分頻模塊的輸出作為頻率計(jì)的輸入。經(jīng)測試,在使用分頻模塊時(shí),電路在信號(hào)頻率較高時(shí)未出現(xiàn)問題,故電路的邏輯功能正確。分頻模塊的代碼5如下所示:LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY fenping IS PORT(CLK_50MHZ : IN ST
16、D_LOGIC;CLK_OUT : BUFFER STD_LOGIC);END ENTITY;ARCHITECTURE BHV OF fenping ISBEGINPROCESS(CLK_50MHZ)VARIABLE Q : STD_LOGIC_VECTOR(25 DOWNTO 0);BEGINIF CLK_50MHZ'EVENT AND CLK_50MHZ='1'THENQ:=Q+1;IF Q>10000 THEN Q:=(OTHERS=>'0');CLK_OUT<=NOT CLK_OUT;END IF;END IF;END PROC
17、ESS;END ARCHITECTURE;4、總結(jié)與體會(huì) 通過這次EDA的課程設(shè)計(jì),我更加熟練了quartusII14.0軟件的操作,更加熟悉了VHDL語言,增強(qiáng)了利用VHDL與Quartus軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力。讓我明白了FPGA是功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái),F(xiàn)PGA可以通過簡單的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的功能,并且FPGA實(shí)現(xiàn)的功能更加穩(wěn)定,保密性好,在未來高速高精度的應(yīng)用場合中必將大有作為。同時(shí),VHDL語言作為一門超高速集成電路描述語言,其語法嚴(yán)謹(jǐn),實(shí)用性強(qiáng),是一門很好的語言工具。在具體設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)當(dāng)跟具數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)特征寫個(gè)模塊,然后再連接起來,這樣使代碼更加簡明,便于維護(hù)于修改,也便
18、于在大規(guī)模電路中進(jìn)行調(diào)用,使大規(guī)模電路的設(shè)計(jì)更加高效、簡單。參考文獻(xiàn)1 潘松,黃繼業(yè). EDA技術(shù)與VHDL. 北京:清華大學(xué)出版社,2009.09.2 朱娜,張金保,王志強(qiáng). EDA技術(shù)實(shí)用教程.北京:人民郵電出版社,2012.07.3 朱小祥,游家發(fā).EDA技術(shù)與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2012.07.4 佩里.VHDL編程實(shí)例.北京:電子工業(yè)出版社,2009.06.5 Kenneth L. Short.VHDL大學(xué)實(shí)用教程.北京:電子工業(yè)出版社,2011.09.附錄1 所有的代碼LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD
19、_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.numeric_std.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY FREQ ISPORT(F_SELECT : IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);F_IN : IN STD_LOGIC;F_IN_50MHZ : IN STD_LOGIC;SMG5 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);SMG4 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);SMG3 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0
20、);SMG2 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);SMG1 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);SMG0 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);LIGHT1 : OUT STD_LOGIC;LIGHT2 : OUT STD_LOGIC;LIGHT3 : OUT STD_LOGIC;OVERFLOW : BUFFER STD_LOGIC);END ENTITY;ARCHITECTURE BHV OF FREQ ISSIGNAL COUNT : INTEGER RANGE 1000000 DOWNT
21、O 0;SIGNAL SUM : INTEGER RANGE 1000000 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_1 : INTEGER RANGE 10 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_2 : INTEGER RANGE 10 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_3 : INTEGER RANGE 10 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_4 : INTEGER RANGE 10 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_5 : INTEGER RANGE 10 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_6: INTEGER RANGE 1
22、0 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_1_1 : INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_2_1 : INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_3_1: INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_4_1 : INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_5_1: INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0;SIGNAL COUNT1_6_1: INTEGER RANGE 15 DOWNTO 0;SIGNAL CLEAR : S
23、TD_LOGIC;SIGNAL SMG0_BUFF : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL SMG1_BUFF : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL SMG2_BUFF : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL SMG3_BUFF : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL SMG4_BUFF : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL SMG5_BUFF : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);COM
24、PONENT DCD_TO_SMG ISPORT(INPUT : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);OUTPUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END COMPONENT;BEGINPROCESS(F_SELECT)BEGINIF F_SELECT ="001" THENCOUNT<=10000;LIGHT1<='0'LIGHT2<='0'LIGHT3<='1'ELSIF F_SELECT ="010"THENCO
25、UNT<=100000;LIGHT1<='0'LIGHT2<='1'LIGHT3<='0'ELSIF F_SELECT ="100"THENCOUNT<=1000000;LIGHT1<='1'LIGHT2<='0'LIGHT3<='0'END IF;END PROCESS;PROCESS(CLK,CLEAR)BEGINIF CLK'EVENT AND CLK='1' THENIF COUNT1_1>8
26、THEN COUNT1_1<=0;COUNT1_2<=COUNT1_2+1; IF COUNT1_2>8 THEN COUNT1_2<=0;COUNT1_3<=COUNT1_3+1;IF COUNT1_3>8 THEN COUNT1_3<=0;COUNT1_4<=COUNT1_4+1;IF COUNT1_4>8 THEN COUNT1_4<=0;COUNT1_5<=COUNT1_5+1;IF COUNT1_5>8 THEN COUNT1_5<=0;COUNT1_6<=COUNT1_6+1;END IF;END
27、IF;END IF;END IF;ELSE COUNT1_1<=COUNT1_1+1;END IF;END IF;IF SUM>COUNT THENOVERFLOW<='1'ELSE OVERFLOW<='0'END IF;IF CLEAR='0'THENCOUNT1_1<=0;COUNT1_2<=0;COUNT1_3<=0;COUNT1_4<=0;COUNT1_5<=0;COUNT1_6<=0;END IF;END PROCESS;PROCESS(F_IN_50MHZ,OVERFLOW
28、)VARIABLE SECOND : STD_LOGIC_VECTOR(30 DOWNTO 0);BEGIN IF F_IN_50MHZ'EVENT AND F_IN_50MHZ='1'THEN SECOND:=SECOND+1; IF OVERFLOW='1' THEN COUNT1_1_1<=15; COUNT1_2_1<=15; COUNT1_3_1<=15; COUNT1_4_1<=15; COUNT1_5_1<=15; COUNT1_6_1<=15; ELSE IF SECOND > 50000000
29、THEN SECOND:=(OTHERS=>'0'); COUNT1_1_1<=COUNT1_1; COUNT1_2_1<=COUNT1_2; COUNT1_3_1<=COUNT1_3; COUNT1_4_1<=COUNT1_4; COUNT1_5_1<=COUNT1_5; COUNT1_6_1<=COUNT1_6; CLEAR<='0' ELSE CLEAR<='1' END IF; END IF; END IF;END PROCESS;SMG0_BUFF<=CONV_STD_LOGI
30、C_VECTOR(COUNT1_1_1,4);SMG1_BUFF<=CONV_STD_LOGIC_VECTOR(COUNT1_2_1,4);SMG2_BUFF<=CONV_STD_LOGIC_VECTOR(COUNT1_3_1,4);SMG3_BUFF<=CONV_STD_LOGIC_VECTOR(COUNT1_4_1,4);SMG4_BUFF<=CONV_STD_LOGIC_VECTOR(COUNT1_5_1,4);SMG5_BUFF<=CONV_STD_LOGIC_VECTOR(COUNT1_6_1,4);SUM<=COUNT1_1 + COUNT1_2
31、 * 10 +COUNT1_3 * 100 +COUNT1_4 * 1000 +COUNT1_5 * 10000 + COUNT1_6 * 100000;U0 : DCD_TO_SMG PORT MAP(INPUT => SMG0_BUFF,OUTPUT=>SMG0);U1 : DCD_TO_SMG PORT MAP(INPUT => SMG1_BUFF,OUTPUT=>SMG1);U2 : DCD_TO_SMG PORT MAP(INPUT => SMG2_BUFF,OUTPUT=>SMG2);U3 : DCD_TO_SMG PORT MAP(INPUT
32、=> SMG3_BUFF,OUTPUT=>SMG3);U4 : DCD_TO_SMG PORT MAP(INPUT => SMG4_BUFF,OUTPUT=>SMG4);U5 : DCD_TO_SMG PORT MAP(INPUT => SMG5_BUFF,OUTPUT=>SMG5);END ARCHITECTURE;/*/LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY DCD_TO_SMG ISPORT(INPUT : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);OUTPUT : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END ENTITY;ARCHIT
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