第7章 常用接口電路設(shè)計(jì)

第7章常用接口電路設(shè)計(jì)第7章常用接口電路設(shè)計(jì)LED顯示控制直流電動(dòng)機(jī)控制數(shù)碼管顯示控制蜂鳴器播放音樂(lè)按鍵脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制序列檢測(cè)器LCD1602顯示控制IIC總線存儲(chǔ)器控制SPI總線存儲(chǔ)器控制串行ADC控制陣列鍵盤控制串行DAC控制點(diǎn)陣控制7.1LED顯示控制【例7.1-1】實(shí)現(xiàn)8位LED燈的流水設(shè)計(jì)的VerilogHDL描述。//LED控制運(yùn)行方式1moduleled_run(inputclk,rst_n,outputreg[7:0]led); always@(posedgeclkornegedgerst_n)if(!rst_n)led<=8'b00000001;//復(fù)位時(shí)LED燈熄滅elseled<={led[6:0],led[7]}; //循環(huán)左移1位endmodule7.1LED顯示控制【例7.1-2】通過(guò)狀態(tài)設(shè)計(jì)LED燈顯示模式的VerilogHDL描述。//LED控制運(yùn)行方式2moduleled_run_2(inputclk,rst_n,output[7:0]led);parameters0=8'b00000001, //狀態(tài)分配，指定每種狀態(tài)LED燈s1=8'b00000010,s2=8'b00000100,s3=8'b00001000,s4=8'b00010000,s5=8'b00100000,s6=8'b01000000,s7=8'b10000000; //可以修改各狀態(tài)LED燈的情況reg[7:0]state;7.1LED顯示控制//狀態(tài)轉(zhuǎn)換always@(posedgeclkornegedgerst_n)if(!rst_n)state<=s0; //初始復(fù)位else case(state) //用來(lái)確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換的順序 s0:state<=s1; s1:state<=s2; s2:state<=s3; s3:state<=s4; s4:state<=s5; s5:state<=s6; s6:state<=s7; s7:state<=s0; default:state<=s0; endcaseassignled=state; //LED輸出顯示endmodule7.2數(shù)碼管顯示控制【例7.2-1】

通過(guò)數(shù)碼管顯示撥碼開(kāi)關(guān)表示的二進(jìn)制數(shù)值的VerilogHDL描述。moduleseg7display_one(input[3:0]sw,outputreg[6:0]seg, //數(shù)碼管段碼CG,CF,CE,CD,CC,CB,CAoutputdp, //數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)output[7:0]an //數(shù)碼管位碼);assigndp=1;assignan=8'b11111110; //僅一個(gè)數(shù)碼管顯示，低電平有效always@(sw)case(sw)4'b0000:seg=7'b1000000;//段碼g～a，顯示04'b0001:seg=7'b1111001;//顯示14'b0010:seg=7'b0100100;//顯示24'b0011:seg=7'b0110000;//顯示37.2數(shù)碼管顯示控制4'b0100:seg=7'b0011001; //顯示44'b0101:seg=7'b0010010; //顯示54'b0110:seg=7'b0000010; //顯示64'b0111:seg=7'b1111000; //顯示74'b1000:seg=7'b0000000; //顯示84'b1001:seg=7'b0010000; //顯示94'b1010:seg=7'b0001000; //顯示A4'b1011:seg=7'b0000011; //顯示B4'b1100:seg=7'b1000110; //顯示C4'b1101:seg=7'b0100001; //顯示D4'b1110:seg=7'b0000110; //顯示E4'b1111:seg=7'b0001110; //顯示Fdefault:seg=7'b1111111; //默認(rèn)數(shù)碼管熄滅endcaseendmodule7.2數(shù)碼管顯示控制【例7.2-2】4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示撥碼開(kāi)關(guān)表示的二進(jìn)制數(shù)值的VerilogHDL描述。//動(dòng)態(tài)顯示頂層模塊moduleseg7display_4_top(inputclk,rst,input[15:0]sw,outputdp, //數(shù)碼管上的小數(shù)點(diǎn)output[6:0]seg,//數(shù)碼管7位段碼output[7:0]an//8個(gè)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的位碼);wireclk_1khz;div_1khzu1(.clk(clk),//調(diào)用1kHz分頻電路，用于動(dòng)態(tài)掃描.rst(rst),.clk_1khz(clk_1khz));seg7display_4u2(.clk(clk_1khz),//調(diào)用動(dòng)態(tài)顯示7.2數(shù)碼管顯示控制.rst(rst),.data(sw),.dp(dp),.seg(seg),.an(an));endmodule//1kHz分頻模塊modulediv_1khz(inputclk,rst,outputregclk_1khz);reg[15:0]cnt;always@(posedgeclkorposedgerst)beginif(rst==1)cnt<=0; //高電平異步復(fù)位，計(jì)數(shù)清零7.2數(shù)碼管顯示控制elseif(cnt==50000-1)begincnt<=0;clk_1khz<=~clk_1khz;//產(chǎn)生1kHz信號(hào)endelsecnt<=cnt+1; //計(jì)數(shù)endendmodule//動(dòng)態(tài)顯示模塊moduleseg7display_4(inputclk,rst,input[15:0]data, //待顯示的4位十六進(jìn)制數(shù)outputdp,outputreg[6:0]seg,outputreg[7:0]an);7.2數(shù)碼管顯示控制reg[1:0]sel; //位碼控制信號(hào)reg[3:0]disp;assigndp=1; //不顯示小數(shù)點(diǎn)always@(posedgeclkorposedgerst)beginif(rst)beginan=8'b1111_1111; //復(fù)位時(shí)數(shù)碼管全部熄滅sel=0;endelsebeginsel=sel+1; //位碼控制信號(hào)依次選通不同位數(shù)碼管case(sel)2'b00:begindisp=data[3:0];an=8'b1111_1110;end//最右側(cè)數(shù)碼管顯示2'b01:begindisp=data[7:4];an=8'b1111_1101;end2'b10:begindisp=data[11:8];an=8'b1111_1011;end7.2數(shù)碼管顯示控制2'b11:begindisp=data[15:12];an=8'b1111_0111;enddefault:;//默認(rèn)不做任何操作endcaseendendalways@(disp) //數(shù)據(jù)顯示譯碼case(disp)4'b0000:seg=7'b1000000; //段碼g～a，顯示04'b0001:seg=7'b1111001; //顯示14'b0010:seg=7'b0100100; //顯示24'b0011:seg=7'b0110000; //顯示34'b0100:seg=7'b0011001; //顯示44'b0101:seg=7'b0010010; //顯示54'b0110:seg=7'b0000010; //顯示67.2數(shù)碼管顯示控制4'b0111:seg=7'b1111000; //顯示74'b1000:seg=7'b0000000;//顯示84'b1001:seg=7'b0010000;//顯示94'b1010:seg=7'b0001000;//顯示A4'b1011:seg=7'b0000011; //顯示B4'b1100:seg=7'b1000110; //顯示C4'b1101:seg=7'b0100001;//顯示D4'b1110:seg=7'b0000110; //顯示E4'b1111:seg=7'b0001110; //顯示Fdefault:seg=7'b1111111; //默認(rèn)數(shù)碼管熄滅endcaseendmodule7.2數(shù)碼管顯示控制【例7.2-3】結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)四位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示的VerilogHDL描述。moduleseg7display_4(inputclk,rst_n,input[15:0]data,//待顯示的4位十六進(jìn)制數(shù)output[7:0]seg,output[3:0]an

);wireclk_1khz;divider#(.CLK_FREQ(25000000),.CLK_OUT_FREQ(1000)) U1(.clk(clk), //調(diào)用1kHz分頻電路，用于動(dòng)態(tài)掃描 .rst_n(rst_n), .clk_out(clk_1khz));seg7displayU2(.clk(clk_1khz), //調(diào)用動(dòng)態(tài)顯示.rst_n(rst_n),.data(data),.seg(seg),.an(an));endmodule7.2數(shù)碼管顯示控制【例7.2-4】4位數(shù)碼管滾動(dòng)顯示數(shù)值的VerilogHDL描述。moduleseg7display_scroll(inputclk,rst_n, //時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)output[7:0]seg, //段碼output[3:0]an //位碼);wireclk_1khz,clk_scroll;wire[15:0]data;divider#(.CLK_FREQ(25000000),.CLK_OUT_FREQ(1000)) //分頻器輸出時(shí)鐘頻率：1KHz

U1(.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.clk_out(clk_1khz)); //調(diào)用1kHz分頻模塊

7.2數(shù)碼管顯示控制seg7displayU2(.clk(clk_1khz),.rst_n(rst_n),.data(data),.seg(seg), .an(an)); //調(diào)用8位動(dòng)態(tài)顯示模塊divider#(.CLK_FREQ(25000000),.CLK_OUT_FREQ(0.5)) //分頻器輸出時(shí)鐘頻率：0.5Hz U3(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.clk_out(clk_scroll)); //調(diào)用1kHz分頻模塊process_data_scroll#(.info(64'hABCDEF9876543210)) U4(.clk(clk_scroll), .rst_n(rst_n), .data(data)); //調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊endmodule7.2數(shù)碼管顯示控制//處理待顯示數(shù)據(jù)模塊moduleprocess_data_scroll#(parameterinfo=64'hF9E8D7C6B5A43210)( //滾動(dòng)顯示信息inputclk,rst_n,output[15:0]data);reg[63:0]message;assigndata=message[63:48];always@(posedgeclkornegedgerst_n) if(!rst_n) message<=info; //初始顯示值 elsemessage<={message[59:0],message[63:60]}; //移位操作endmodule7.3蜂鳴器播放音樂(lè)【例7.3-1】通過(guò)蜂鳴器演奏音樂(lè)《梁?！返腣erilogHDL描述。7.4陣列鍵盤控制【例7.4-1】4×4陣列鍵盤控制的VerilogHDL描述實(shí)例。modulekey4x4(clk,row,column,y);inputclk;input[3:0]row;outputreg[3:0]column;outputreg[3:0]y;reg[1:0]cnt;always@(posedgeclk)begin cnt<=cnt+1; case(cnt) 2'b00:column=4'b0001; 2'b01:column=4'b0010; 2'b10:column=4'b0100; 2'b11:column=4'b1000; endcase case({column,row}) 8'b0001_0001:y<=4'b0001;//顯示1,c4,c3,d2,c1,r4,r3,r2,r17.4陣列鍵盤控制 8'b0010_0001:y<=4'b0010;//顯示2 8'b0100_0001:y<=4'b0011;//顯示3 8'b1000_0001:y<=4'b1100;//顯示C 8'b0001_0010:y<=4'b0100;//顯示4 8'b0010_0010:y<=4'b0101;//顯示5 8'b0100_0010:y<=4'b0110;//顯示6 8'b1000_0010:y<=4'b1101;//顯示D 8'b0001_0100:y<=4'b0111;//顯示7 8'b0010_0100:y<=4'b1000;//顯示8 8'b0100_0100:y<=4'b1001;//顯示9 8'b1000_0100:y<=4'b1110;//顯示E 8'b0001_1000:y<=4'b1010;//顯示A 8'b0010_1000:y<=4'b0000;//顯示0 8'b0100_1000:y<=4'b1011;//顯示B 8'b1000_1000:y<=4'b1111;//顯示F endcaseendendmodule7.5按鍵脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路【例7.5-1】

使用按鍵產(chǎn)生脈沖信號(hào)的VerilogHDL描述實(shí)例。//按鍵產(chǎn)生脈沖模塊modulekey_pulse(inputclk, //時(shí)鐘信號(hào)inputkey, //按鍵輸入outputpulse //脈沖輸出);regkey_r,key_rr;always@(posedgeclk)beginkey_r<=key;key_rr<=key_r;endassignpulse=key&key_r&~key_rr; //脈沖產(chǎn)生endmodule7.5脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路【例7.5-2】使用按鍵產(chǎn)生脈沖信號(hào)的Testbench仿真測(cè)試實(shí)例。modulekey_pulse_tb();regclk,key;wirepulse;key_pulsetest(.clk(clk),.key(key),.pulse(pulse));initialbeginclk=0;key=0;#105key=0;#50key=1;#200key=0;#100key=1;endalways#10clk=~clk;endmodule7.6直流電動(dòng)機(jī)控制首先調(diào)用例7.5-1的按鍵脈沖電路，每次按下按鍵都會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，按鍵分為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，加速和減速。然后通過(guò)步進(jìn)電機(jī)模塊，產(chǎn)生所需要的控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和PWM波形，輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)控制。程序設(shè)計(jì)參考例7.6-1。7.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制首先調(diào)用例7.5-1的按鍵脈沖電路，每次按下按鍵都會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，然后輸入給步進(jìn)電機(jī)模塊，產(chǎn)生所需要的控制波形，按一定的順序給步進(jìn)電機(jī)的各相輪流通電，步進(jìn)電機(jī)就能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。程序設(shè)計(jì)參考例7.7-1。7.8序列檢測(cè)器【例7.8-1】

序列檢測(cè)電路的VerilogHDL描述實(shí)例。//序列檢測(cè)電路頂層文件modulesequence_detect(inputclk,rst, //時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)input[1:0]key, //定義按鍵1和0outputled //輸出指示);wirepulse;key_pulseu1(.clk(clk),.key(|key),.pulse(pulse));//調(diào)用脈沖產(chǎn)生電路sequence_compareu2(.clk(pulse),.rst(rst),.data(key[1]),.result(led)); //調(diào)用序列比較電路endmodule7.8序列檢測(cè)器//序列比較模塊u2modulesequence_compare(inputclk,rst,inputdata,outputresult); parameters0=2'b00, //s0狀態(tài)表示沒(méi)有出現(xiàn)1s1=2'b01, //s1狀態(tài)表示出現(xiàn)第一個(gè)1s2=2'b10, //s2狀態(tài)表示出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)1s3=2'b11; //s3狀態(tài)表示出現(xiàn)序列110reg[1:0]next_state;always@(posedgeclkorposedgerst)if(rst)next_state=s0; //異步復(fù)位，初始狀態(tài)s0elsecase(next_state)7.8序列檢測(cè)器 s0:if(data==1'b1)next_state=s1; elsenext_state=s0; s1:if(data==1'b1)next_state=s2; elsenext_state=s0; s2:if(data==1'b1)next_state=s2; elsenext_state=s3; s3:if(data==1'b1)next_state=s1; elsenext_state=s0; default:next_state=s0;endcaseassignresult=(next_state==s3)?1:0; //穆?tīng)栃洼敵鰁ndmodule7.9LCD1602顯示控制根據(jù)顯示器手冊(cè)，設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)讀寫時(shí)序，使LCD1602顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。LCD1602顯示控制使用了3個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：模塊U0調(diào)用了例4.4-11參數(shù)化分頻器，對(duì)系統(tǒng)25MHz信號(hào)分頻用作U2顯示模塊的時(shí)鐘。顯示模塊U2，通過(guò)狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)LCD1602讀寫時(shí)序。U1模塊為測(cè)試模塊，用來(lái)產(chǎn)生顯示器需要顯示的數(shù)據(jù)，最后一位數(shù)據(jù)0-9每秒變化一次。程序設(shè)計(jì)參見(jiàn)例7.9-1。7.10IIC總線存儲(chǔ)器控制集成電路總線（Inter-IntegratedCircuit，即IIC）一般有兩根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL?？偩€的運(yùn)行（數(shù)據(jù)傳輸）由主機(jī)控制。所謂主機(jī)是指啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)）、發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)以及傳送結(jié)束時(shí)發(fā)出停止信號(hào)的設(shè)備。被主機(jī)尋訪的設(shè)備稱為從機(jī)。為了進(jìn)行通訊，每個(gè)接到IIC總線的設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，以便于主機(jī)尋訪。主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī)，也可以由從機(jī)發(fā)到主機(jī)。在IIC總線傳輸過(guò)程中，將兩種特定的情況定義為開(kāi)始和停止條件：當(dāng)SCL保持“高”時(shí)，SDA由“高”變?yōu)椤暗汀睘殚_(kāi)始條件；當(dāng)SCL保持“高”且SDA由“低”變?yōu)椤案摺睍r(shí)為停止條件。開(kāi)始和停止條件均由主控制器產(chǎn)生。SDA線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘“高”期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的“高”或“低”狀態(tài)才可以改變。輸出到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，但每個(gè)字節(jié)必須要有一個(gè)應(yīng)答ACK。如果一接收器件在完成其他功能（如一內(nèi)部中斷）前不能接收另一數(shù)據(jù)的完整字節(jié)時(shí)，它可以保持時(shí)鐘線SCL為低，以促使發(fā)送器進(jìn)入等待狀態(tài)；當(dāng)接收器準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)的其它字節(jié)并釋放時(shí)鐘SCL后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進(jìn)行。數(shù)據(jù)傳送具有應(yīng)答是必須的。與應(yīng)答對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘脈沖由主控制器產(chǎn)生，發(fā)送器在應(yīng)答期間必須下拉SDA線。當(dāng)尋址的被控器件不能應(yīng)答時(shí)，數(shù)據(jù)保持為高并使主控器產(chǎn)生停止條件而終止傳輸。在傳輸?shù)倪^(guò)程中，如果用到了主控接收器，那么主控接收器必須發(fā)出一數(shù)據(jù)結(jié)束信號(hào)給被控發(fā)送器，從而使被控發(fā)送器釋放數(shù)據(jù)線，以允許主控器產(chǎn)生停止條件。7.11SPI總線存儲(chǔ)器控制SPI是串行外設(shè)接口（SerialPeripheralInterface）的縮寫，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)在PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要4根線，分別是MISO（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入）、MOSI（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時(shí)鐘）、CS（片選）。7.12串行ADC控制用VerilogHDL實(shí)現(xiàn)對(duì)8位串行ADC芯片TLC549控制，例7.12-1控制串行ADC采樣外部0-3.3V電壓，并通過(guò)四位數(shù)碼管顯示采集的模擬值。TLC549帶有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘與外部I/OCLOCK時(shí)鐘是獨(dú)立工作的，無(wú)需特殊的速度或相位匹配。當(dāng)CS為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸出DATAOUT端處于高阻狀態(tài)，此時(shí)I/OCLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時(shí)使用多片TLC549時(shí)，共用I/OCLOCK，以減少多片A/D使用時(shí)的I/O控制端口。7.13串行DAC控制本節(jié)用VerilogHDL實(shí)現(xiàn)對(duì)12位串行DAC芯片DAC7512控制，例7