五路呼叫器課程設(shè)計

1、目 錄1 設(shè)計任務(wù)與要求12 設(shè)計原理12.1 總的設(shè)計思路12.2 輸入信號的處理22.3 多輸入源判斷電路32.4 計數(shù)掃描電路42.5 數(shù)字顯示電路52.6 優(yōu)先序電路62.7 分頻電路63 設(shè)計步驟83.1 模擬仿真83.1.1 熟悉QuartusII的使用83.1.2 電路原理圖113.2 仿真結(jié)果分析123.3 下載133.4 實驗結(jié)果驗證134總結(jié)與心得體會141 設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計一個五路呼叫器,具體設(shè)計要求如下:1五個按鍵模擬五個呼叫源2當有一個按鍵按下時，由數(shù)碼管顯示呼叫源號碼3當有多個呼叫同時發(fā)生時，用指示燈(建議選用一紅色LED)指明多個呼叫源在同時呼叫，并按優(yōu)先級順序

2、由數(shù)碼管顯示多個呼叫源號碼。1號呼叫源優(yōu)先級最高，按順序5號呼叫源優(yōu)先級最低。2 設(shè)計原理2.1 總的設(shè)計思路本電路在總體設(shè)計的時候考慮了如下幾個方面：（1）呼叫源的輸入：設(shè)計要求用五個輸入鍵代替呼叫源。對于DE2板上產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的鍵，它保持原輸入狀態(tài)只是一瞬間。但在優(yōu)先級判別過程中必須不斷調(diào)用原輸入狀態(tài)，所以必須將輸入量保存起來。使用JK觸發(fā)器，可以做到在一個觸發(fā)鍵上進行“呼叫”和“解除呼叫”兩個操作，而且可以隨時插入不同優(yōu)先級別的呼叫信號。（2）呼叫源的過程處理：在本設(shè)計要求中，當同時有多個呼叫源呼叫時，必須按優(yōu)先順序，先顯示優(yōu)先級高的呼叫源，后顯示優(yōu)先級低的呼叫源。這次課程設(shè)計中我使用了

3、計數(shù)器掃描的方式，從一號呼叫源 (優(yōu)先級最高) 開始，對各個已經(jīng)保存的輸入量依次進行掃描。當遇到一個高電平，即有呼叫源呼叫時，便對相應(yīng)的呼叫源進行相應(yīng)的編碼、譯碼，送到輸出端口顯示其相應(yīng)的呼叫號；延時一定時間后，再掃描下一個呼叫源。如果沒有呼叫，跳過該呼叫源，再對下一個呼叫源進行掃描。所以，在所有呼叫源間的顯示不會間隔時間太久，而可以有快速的對應(yīng)顯示。這樣由一號呼叫源到五號呼叫源不斷地進行循環(huán)掃描，其掃描的個數(shù)由計數(shù)器進行控制。即對五個呼叫源都掃描一次后，對計數(shù)器清零，進行下一次掃描。如此不斷的循環(huán)和顯示呼叫源號。當任何一個呼叫源有輸入時，掃描器再次從第一個呼叫源開始掃描，做到優(yōu)先序掃描。（3

4、）輸出處理：按任務(wù)要求和根據(jù)DE2板的硬件設(shè)置，必須將呼叫源信號編制成對應(yīng)的BCD碼輸出。輸出的BCD碼經(jīng)DE2板的硬件設(shè)置，實現(xiàn)譯碼和顯示。2.2 輸入信號的處理由于DE2實驗板上的觸發(fā)脈沖按鍵產(chǎn)生的觸發(fā)信號只是一瞬間，而在優(yōu)先級判別和多輸入判別的過程中需要多次調(diào)用源輸入狀態(tài)，所以需要一個具有鎖存功能的的電路將輸入信號保存起來。在設(shè)計初始，考慮使用SR鎖存器，但是考慮到改電路系統(tǒng)對輸入信號要具有單獨撤銷的功能，所以改用了JK觸發(fā)器，使用IC芯片74112（輸入端功能有附圖）。PRNCLRNCLKJKQQN01×××1010×××01

5、00×××不 穩(wěn) 定1100Q0Q01110101101011111觸 發(fā)111××Q0Q074112是雙下降沿JK觸發(fā)器，兼有異步預(yù)置和清除的功能。時鐘輸入高電平時語序J、K以及數(shù)據(jù)輸入。在本次設(shè)計中，將PRN，J，K均置高電平，使74112處于觸發(fā)態(tài)。而保留CLRN連接總開關(guān)ON/OFF作為總體清零（復(fù)位）的輸入端。關(guān)于輸入信號的處理的總體電路如下：2.3 多輸入源判斷電路本次設(shè)計中要求當有多個呼叫同時發(fā)生時，用指示燈(紅色LED)指明多個呼叫源在同時呼叫。所以，需要設(shè)計一個多輸入源判斷電路。由于共有五個輸入源，為簡化邏輯表達式，將邏輯要求

6、表述為：當沒有或只有一個輸入源為高電平時，輸出（CO）為低電平。真值表如下：In_1In_2In_3In_4In_5CO000000000010000100001000010000100000其余情況1邏輯表達式：CO=ABCDE+ABCDE+ABCDE+ABCDE+ABCDE+ABCDE多輸入源邏輯組合電路如下：2.4 計數(shù)掃描電路將4位十進制同步計數(shù)器（異步清零）74161結(jié)成五進制計數(shù)電路，同時使用3線-8線譯碼器74138，將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為五個不同的輸出信號。利用計數(shù)器對時鐘脈沖信號進行計數(shù)，然后譯碼器進行譯碼，產(chǎn)生每周期五個掃描信號，分別對五個信號輸入源進行循環(huán)掃描。當多輸入源時，對

7、呼叫源進行掃描；當只有一個輸入源時，對呼叫源進行長時間無閃爍顯示，。這就要求設(shè)計一個選通電路，對多呼叫源時掃描，單呼叫源不掃描。同時利用了多輸入源判斷電路的輸出CO值。如圖中所示，左邊的長條框中的電路是多呼叫源時選通，進行掃描，單呼叫源時則全部置零輸出；中間的長條框中的電路是單呼叫源時選通，長時間顯示，多呼叫時則全部置零輸出。右邊的長條框中，采用或非門（結(jié)合74148為低電平輸入有效），使顯示電路無論呼叫源的多少，都能夠?qū)艚性催M行顯示。2.5 數(shù)字顯示電路在這部分電路中，采用741488線-3線編碼器進行編碼。由于在掃描電路中，計數(shù)器是從0開始計數(shù)的，但是數(shù)碼管顯示要求以15的形式顯示，所以

8、在編碼電路中，五條線從1端接起，到5端，使編碼器編出001101的二進制代碼，通過7446進行顯示器譯碼，最終輸出到數(shù)碼管的af7個管腳。2.6 優(yōu)先序電路在前面的分塊電路中，并沒有實現(xiàn)優(yōu)先序掃描，即當有新呼叫源插入時，系統(tǒng)隨即按優(yōu)先序從呼叫源1依次往呼叫源5掃描。本次設(shè)計在五路呼叫源輸入端接入一個5輸入端并門（考慮到DE2板上的觸發(fā)脈沖鍵按下時是低電平），當有呼叫源插入時或退出時，均經(jīng)過并門產(chǎn)生一個低電平。由于74161帶有異步清零的功能，將并門的輸出接到清零端CLRN，計數(shù)器從0重新開始計數(shù)（即掃描電路從0開始掃描），巧妙地實現(xiàn)了優(yōu)先序掃描。2.7 分頻電路DE2實驗板上的時鐘頻率為50M

9、Hz，如果直接采用該信號進行計數(shù)掃描，人眼無法辨別所顯示的數(shù)字，所以將必須對50MHz時鐘信號進行分頻，是頻率達到人眼能夠分辨的數(shù)量級，同時數(shù)字顯示的間隔時間也合適，本次設(shè)計最終采用的時鐘信號為3Hz左右。為實現(xiàn)分頻，本次設(shè)計中采用了lpm_counter模塊，將其設(shè)置成224進制，同時帶有進位輸出。5輸入端并門 lpm_counter分頻器lpm_counter自動產(chǎn)生的VHDL語言代碼如下：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY lpm;USE lpm.all;ENTITY lpm_counter1 ISPORT(clock: IN

10、 STD_LOGIC ;cout: OUT STD_LOGIC ;q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (23 DOWNTO 0);END lpm_counter1;ARCHITECTURE SYN OF lpm_counter1 ISSIGNAL sub_wire0: STD_LOGIC ;SIGNAL sub_wire1: STD_LOGIC_VECTOR (23 DOWNTO 0);COMPONENT lpm_counterGENERIC (lpm_direction: STRING;lpm_port_updown: STRING;lpm_type: STRING;lpm_wi

11、dth: NATURAL);PORT (clock: IN STD_LOGIC ;cout: OUT STD_LOGIC ;q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (23 DOWNTO 0);END COMPONENT;BEGINcout <= sub_wire0;q <= sub_wire1(23 DOWNTO 0);lpm_counter_component : lpm_counterGENERIC MAP (lpm_direction => "UP",lpm_port_updown => "PORT_UNUSED",

12、lpm_type => "LPM_COUNTER",lpm_width => 24)PORT MAP (clock => clock,cout => sub_wire0,q => sub_wire1);END SYN;3 設(shè)計步驟3.1 模擬仿真使用可編程邏輯器件和QUARTUS II軟件，用原理圖輸入方法，進行編譯，仿真。3.1.1 熟悉QuartusII的使用STEP 1（啟動QUARTUS II 7.2）1 在文件菜單下，選擇新建工程，向?qū)υ捒虺霈F(xiàn)，按“下一步”。2 設(shè)定相關(guān)文件路徑、文件名等。3 選擇“下一步”，進入到第二頁。4 由于

13、所有的文件共享同一個名字，此時不需要添加其他的文件，選擇“下一步”。5 設(shè)定器件，器件系列選用Cyclone II,封裝選用FGBA，引腳數(shù)選672，速度級別選用“6”，在器件列表中選擇EP2C35F672C6，選擇“下一步”。6 選擇“下一步”，然后在出現(xiàn)概述的頁面，就選擇“完成”。工程就建好了。STEP 2 設(shè)計輸入1 建立文件FileàNew,選擇Block Diagram/Schematic File.2 保存文件FileàSave as，同時選中Add file to Current project.3 用圖形編輯器輸入設(shè)計的四個步驟：導(dǎo)入邏輯門電路符號、導(dǎo)入輸入

14、/輸出符號、用線連接節(jié)點、編譯電路。4 編譯電路，使用processingàstart compilation菜單與運行編譯器。若編譯成功通過，則出現(xiàn)compilation report窗口；若編譯過程出現(xiàn)錯誤，則編譯自動終止，并在消息框中顯示錯誤信息。STEP 3 分配引腳在DE2平臺上，F(xiàn)PGA與外部的連線是確定的，要讓電路能在DE2上運行，必須為設(shè)計分配引腳。方法：在.qsf文件中導(dǎo)入引腳設(shè)置，用菜單命令A(yù)ssignmentàImport Assignment.為方便使用，節(jié)點名最好改成“DE2_pin_assignments.csv”文件中定義的方式。STEP 4

15、編程下載1 菜單命令ToolsàProgrammer打開編程窗口2 若沒有顯示硬件，則單擊Hardware Setup，打開硬件設(shè)置窗口。3 雙擊USB Blaster，然后單擊close，完成硬件設(shè)置。4 添加下載文件，找到.sof，選中program/configure.5單擊start 按鈕，開始編程，編程結(jié)束后，可按設(shè)計方案運行。3.1.2 電路原理圖按照以上的設(shè)計原理，應(yīng)用QUARTUS II軟件用原理圖輸入法得到五路呼叫器的設(shè)計電路圖如下：電路原理圖左半部分電路原理圖右半部分3.2 仿真結(jié)果分析對編譯完成之后的設(shè)計進行仿真，先設(shè)置具有一定實際意義的輸入。時序仿真的實際輸出

16、結(jié)果：3.3 下載模擬仿真結(jié)果正確后，結(jié)合實驗板設(shè)置各輸入、輸出端；指定下載芯片，重新編譯。編譯結(jié)果正確后下載到相應(yīng)芯片中。該設(shè)計相關(guān)輸入輸出端對應(yīng)到DE2實驗板上的引腳如下表：輸入端口引腳輸出端口引腳clock_inPIN_N2OAPIN_AF10in_1PIN_G26OBPIN_AB12in_2PIN_N23OCPIN_AC12in_3PIN_P23ODPIN_AD11in_4PIN_W26OEPIN_AE11in_5由于DE2上沒有五個觸發(fā)脈沖鍵，此呼叫源不接實際引腳OFPIN_V14OGPIN_V13RedPIN_AE23ON/OFFPIN_N25GreenPIN_Y183.4 實驗結(jié)

17、果驗證(1)總開關(guān)ON/OFF（SW0）向上撥時，整個設(shè)計電路處于工作狀態(tài)，綠燈亮；(2)呼叫源1（KEY0）按下時，顯示器（HEX0）長時間顯示“1”；(3)呼叫源2（KEY1）按下時，紅燈亮，顯示器閃爍顯示“1”和“2”；(4)呼叫源3（KEY2）按下時，紅燈亮，顯示器閃爍顯示“1”，“2”和“3”；(5)呼叫源1和呼叫源3都再次按下時，紅燈滅，顯示器長時間顯示“2”；(6)總開關(guān)ON/OFF向下?lián)軙r，整個設(shè)計電路的輸入端全部置零，綠燈滅；4總結(jié)與心得體會在本次課程設(shè)計中，經(jīng)過我大概一周的努力工作和老師的悉心指導(dǎo)，我終于順利完成了五路呼叫器的設(shè)計。經(jīng)過了大二第二學(xué)期對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課

18、程的學(xué)習,初步掌握了一些數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識。了解了編碼器，譯碼器，數(shù)據(jù)選擇器，計數(shù)器，鎖存器，觸發(fā)器等一些經(jīng)典的集成電路。原以為已經(jīng)學(xué)有所得,但是拿到課程設(shè)計的題目時,頭腦中還是一時間沒有想到一些實際的設(shè)計思路。原來將所學(xué)應(yīng)用到實踐中還是有很大難度的。還好在上一學(xué)期的數(shù)電實驗中，我已經(jīng)基本掌握了QUARTUS II軟件的基本使用方法，并學(xué)會了利用它進行邏輯設(shè)計。所以在剛開始，我立即將精力轉(zhuǎn)移到邏輯電路的功能設(shè)計上。對照任務(wù)的功能要求，我首先將其總體功能分割成幾個簡單的，易于實現(xiàn)的邏輯功能，最后再將各部分電路匯合，以達到總體要求。在對電路設(shè)計的過程中，我學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的知識。譬如，在書本上我們只學(xué)到了一些邏輯器件輸入輸出的邏輯關(guān)系，但是在實訓(xùn)中我們懂得了一個邏輯器件只要經(jīng)過一些靈活的設(shè)計便可以實現(xiàn)各種各樣的功能，遠遠不止書本上所介紹的內(nèi)容。這還使我明白到，對于一個問題可以