数字电压表课程设计 - 图文

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

课 程 硬件课程设计 题 目 数字电压表设计 院 系 计算机与信息技术学院 专业班级 计算机科学与技术10-6班 学生姓名 张乃元 学生学号 100702140614 指导教师 李 冰 2009年 7 月 10 日

东北石油大学课程设计任务书

课程 硬件课程设计 题目 数字电压表设计

专业 计算机科学与技术 姓名 张乃元 学号 100702140614 主要内容、基本要求等

一、主要内容：

利用EL教学实验箱、微机和QuartusⅡ软件系统，使用VHDL语言输入方法设计数字钟。可以利用层次设计方法和VHDL语言，完成硬件设计设计和仿真。最后在EL教学实验箱中实现。 二、基本要求：

1、 A/D转换接口电路的设计，负责对ADC0809的控制。

2、 编码转换电路设计，负责把从ADC0809数据总线中读出的电压转换成BCD码。

3、 输出七段显示电路的设计，负责将BCD码用7段显示器显示出来。 三、扩展要求

1、当测量结束后，蜂鸣器鸣响10声。 四、参考文献

[1] 李朝清.单片机原理及技术接口[M].出版社:北京航空航天大学出版社.出版

时间:2011年6月第17次印刷

[2] 康华光，邹寿彬等.电子技术基础数字部分[M].出版社：高等教育出版社 [3] 康华光，张林，电子技术基础模拟部分[M].出版社：高等教育出版社. [4] 吴金戌,郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社,2002 [5] 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法［J］.电子技术应用.1993.

完成期限 2周 指导教师 李冰 专业负责人 富宇

2012年 6 月 10 日

摘 要

本文阐述了EDA技术的基本特征及关键技术，介绍了EDA工具软件和硬件描述语言，分析了EDA技术的现状及发展趋势。EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写。由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义。但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。

本文设计主要利用VHDL语言在EDA平台上设计一个数字电压表，本实验中所要求设计的数字电压表为4位，由三大部分组成，每一部分又包含了若干子电路，将各电路组合起来，就构成了一个整体。1、A/D转换接口电路的设计，负责对ADC0809的控制。2、编码转换电路设计，负责把从ADC0809数据总线中读出的电压转换成BCD码。3、输出七段显示电路的设计，负责将BCD码用7段显示器显示出来。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表，几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。并且使用Quartus7.2-II软件进行电路波形仿真，下载到EDA实验箱进行验证。

关键词： EDA（电子设计自动化）；VHDL（硬件描述语言），数字钟。

目 录

第1章 概 述 ......................................................... 1

1.1EDA的概念 ..................................................................................................................... 1 1.2 EDA技术及应用 ............................................................................................................ 1 1.3EDA技术发展前景......................................................................................................... 3 第2章 设计基础知识 .................................................. 4

2.1FPGA知识介绍 ............................................................................................................... 4 2.2VHDL硬件描述语言 ..................................................................................................... 6 2.3QUARTUS II及其他第三方开发工具 ............................................................................. 8 第3章 数字电压表电路设计 ........................................... 11

3.1设计规划 ........................................................................................................................ 11 3.2设计内容 ........................................................................................................................ 11 3.3电路程序 ........................................................................................................................ 13 第4章 系统软件程序的设计 ........................................... 18

4.1主程序 ............................................................................................................................ 18 4.2转换电子程序 ............................................................................................................... 18 4.3中断显示程序 ............................................................................................................... 19 第5章 电压表的调试及性能分析 ....................................... 21

5.1调试与测试 ................................................................................................................... 21 5.2性能分析 ........................................................................................................................ 22 结 论 ............................................................... 23 参考文献 ............................................................ 24

东北石油大学本科生课程设计（论文） 第1章 概 述

1.1 EDA的概念

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义。但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

硬件描述语言：硬件描述语言(HDL—Hardware Description Language)是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。

1.2 EDA技术及应用

Electronic Document Authorization，指电子文件授权，是工作流软件系统最常

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东北石油大学本科生课程设计（论文） 不同的语言传播到国内，同样也引起了不同的影响在我国比较有影响的有两种硬件描述语言：VHDL语言和Verilog HDL语言，这两种语言已成为IEEE标准语言。

2.2.2 VHDL语言的主要优势

VHDL语言能够成为标准并且获得广泛的应用，一定有它自身的主要优势，或者说是与众不同的特点。①强大的功能和灵活性：VHDL语言具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的程序来描述复杂的逻辑控制。②独立于器件的设计：设计人员采用VHDL语言进行硬件电路的设计时，并不需要首先选择完成此项设计的逻辑器件。这样，设计人员就可以集中精力来进行设计的构思。③可进行程序移植：VHDL语言的移植能力是允许设计人员对需要综合设计描述进行模拟，在综合前对一个数千门的设计描述进行模拟可以节约大量的时间。

由于VHDL语言是一种标准化的硬件描述语言，因此同一个设计的VHDL语言描述可以被不同的EDA工具支持，从而使得VHDL语言程序的移植成为可能。④性能评估能力：独立于器件的设计和可进行程序移植允许设计人员可以采用不同的器件结构和综合工具来对自己的设计进行评估。⑤易于ASIC移植：VHDL语言效率高的重要体现之一就是如果设计人员的设计是被综合到一个CPLD器件或FPGA器件，那么就可以使设计的产品以最快的的速度上市。当产品的数量达到相当的规模时，采用VHDL语言能够很容易地帮助设计人员实现转成ASIC的设计。⑥VHDL语言标准、规范，易于共享和复用：VHDL语言的语法规范、标准，可读性强。由于VHDL语言是一种IEEE的工业标准硬件描述语言，具有严格的语法规范和统一的标准，因此它可以使设计人员之间进行交流和共享。

2.2.3 VHDL语言的设计流程

采用VHDL语言设计硬件电路系统的设计流程一般可以分为以下几个步骤。①硬件电路系统设计要求的定义。②编写描述硬件电路系统功能的VHDL语言程序。③VHDL语言程序的模拟。④VHDL语言的综合、优化和布局布线。⑤布局布线后的设计模拟。⑥器件的编程。设计人员在从事硬件电路系统的合计过程中，编写VHDL语言程序之前必须对硬件电路系统的设计目的有一个非常明确的认识才行。

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东北石油大学本科生课程设计（论文） 2.3Quartus II及其他第三方开发工具

2.3.1 Quartus II开发平台简介

Quartus II是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境，Altera是世界最大可编程逻辑器件供应商之一。Quartus II在21世纪初推出，是Altera前一代FPGA/CPLD集成开发环境MAX+plus II的更新换代产品，其界面友好，使用便捷。在Quartus II上可以完成设计输入、HDL综合、布线布局（适配）、仿真和下载和硬件测试等流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。

Altera的Quartus II 提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，也是单芯片可编程系统（SOPC）设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具，并为Altera DSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。Quartus II设计工具完全支持VHDL、Verilog的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。Quartus II也可以利用第三方的综合工具，如Leonardo Spectrum、Synplify Pro、FPGA Complier II，并能直接调用这些工具。同样，Quartus II具备仿真功能，同时也支持第三方的仿真工具，如ModelSim。此外，Quartus II与MATLAB和DSP Builder结合，可以进行基于FPGA的DSP系统开发，是DSP硬件系统实现的关键EDA工具。

Quartus II包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析/综合器（Analysis & Synthesis）、适配器（Filter）、装配器（Assembler）、时序分析器（Timing Analyzer）、设计辅助模块（Design Assistant）、EDA网表文件生成器（EDA Netlist Writer）和编辑数据接口（Complier Database Interface）等。可以通过选择Start Complication来运行所有的编译器模块，也可以通过选择Start单独运行各个模块。还可以通过选择Complier Tool（Tools 菜单），在Complier Tool 窗口中运行该模块来启动编辑器模块。在Complier Tool 窗口中，可以打开该模块的设置文件或报告文件，或打开其他相关窗口。

此外，Quartus II还包含许多十分有用的LPM（Library of Parameterized Modules）模块，它们是复杂或高级系统构建的重要组成部分，在SOPC设计中被大量使用，也可在Quartus II普通设计文件一起使用。Altera提供的LPM函数均基于Altera器件的结构做了优化设计。在许多实用情况中，必须使用宏功能模块才可以使用一些Altera特定器件的硬件功能。例如各类片上存储器、DSP模块、LVDS驱动器、PLL以及SERDES和DDIO电路模块等。

图3-1中所示的上排是Quartus II编译设计主控界面，它显示了Quartus II自

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东北石油大学本科生课程设计（论文） 动设计的各主要处理环节和设计流程，包括设计输入编辑、设计分析与综合、适配、编程文件汇编（装配）、时序参数提取以及编程下载几个步骤。在图1-1下排的流程框图，是与上面的Quartus II设计流程相对照的标准的EDA开发流程。

Quartus II编译器支持的硬件描述语言有VHDL（支持VHDL’87及VHDL’97标准）、Verilog HDL及AHDL（Altera HDL），AHDL是Altera公司自己设计、制定的硬件描述语言，是一种以结构描述方式为主硬件描述语言，只有企业标准。

Quartus II允许来自第三方的EDIF文件输入，并提供了很多EDA软件的接口，Quartus II支持层次化设计，可以在一个新的编辑输入环境中对使用不同输入设计方式完成的模块（元件）进行调用，从而解决了原理图与HDL混合输入设计问题。在设计输入之后，Quartus II的编译器将给出设计输入的错误报告。Quartus II 拥有良好的设计输入定位器，用于确定文本或图形设计中的错误。对于使用HDL的设计，可以使用Quartus II带有的RTL Viewer观察综合后的RTL图。在进行编译后，可对设计进行时序仿真。在作仿真前，需要利用波形编辑器编辑一个波形激励文件，用于仿真验证时的激励。编译和仿真经检测无误后，便可以将下载信息通过Quartus II提供的编程器下载入目标器件中了。 HDL 图形或Analysis & Synthesis Filter Assembler（编 编辑 (分析与综合) （适配器） 程文件汇编） Timing Analyzer （时序分析器） 设计输入 综合或编辑 适配器件 仿真

........................... 图3-1 Quartus II设计流程

编程器 下载 2.3.2 第三方EDA工具

目前EDA/FPGA的设计趋于复杂化，设计的仿真验证显得比以前更为重要。据有关资料统计显示，在一个使用IP核的百万门级SOC设计中，花费在仿真验证上的时间将占整个设计周期的70%。为了保证CPLD/FPGA仿真验证的精确性，很多公司都开发出了第三方专用EDA工具。Quartus II支持的第三方开发工具很

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东北石油大学本科生课程设计（论文） 多，应用比较广泛的如专用综合工具Synplify，它在综合策略和优化手段上有了较大幅度的提高，使其面积较好，速度较快；Modelsim是较常用的第三方仿真工具，目前的最新版本已到5.7版。它可以对Xilinx公司的全部CPLD/FPGA产品进行高精度的仿真验证；可以对CPLD/FPGA进行功能仿真和时序仿真。Modelsim适用于多种操作系统和设计平台，主要有SE\\EE\\XE等版本类型。其中Modelsim是针对Xilinx公司系列器件的专用仿真工具；Modelsim SE\\EE则是通用的EDA仿真工具，使用这两种对Xilinx公司系列器件进行仿真，需要预先加载Xilinx本地库。在应用过程中，主要包括创建仿真库、逻辑库映射、编译设计文件、仿真验证等步骤，其中仿真库包括工作库和资源库，工作库由所有编译后的设计文件组成，资源库包括当前设计中引用资源的定义和说明。使用Quartus II结合这些第三方工具进行开发，将取得较为理想的效果。

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东北石油大学本科生课程设计（论文） 第3章 数字电压表电路设计

3.1设计规划

本实验中所要求设计的数字电压表为4位，由三大部分组成，每一部分又包含了若干子电路，将各电路组合起来，就构成了一个整体。

1、 2、 BCD码。

3、

输出七段显示电路的设计，负责将BCD码用7段显示器显示出来。

硬件说明：本设计所需的硬件主要有：可变直流电平输出电路、ADC0809、七段显示器、EPF10K10LC84-4适配器

A/D转换接口电路的设计，负责对ADC0809的控制。

编码转换电路设计，负责把从ADC0809数据总线中读出的电压转换成

3.2设计内容

1、产生控制信号：

对于ADC0809芯片的各种介绍请参阅其数据手册。芯片ADC0809的控制时序图如图52-3所示。实验仪器中ADC0809接口电路原理图如图3-1所示。

图3-1 ADC0809接口电路原理图

当CS 和WR同时为高电平时，ADC0809开始转换，当转换完成后，在INT脚输出高电平，等待读数据；当CS和RD同时为电平时，通过数据总线D[7..0]

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东北石油大学本科生课程设计（论文）

图5-2数字显示

5.2性能分析

由于单片机为8位处理器，当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（FFH）因此单片机最大的数值分辨率为0.0196V（5/255）。这就决定了该电压表的最大分辨率（精度）只能达到0.0196V。测试时电压数值的变化一般以0.02V的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用12位、13位的A/D转换器。

简易数字电压表测得的值基本上均比标准值偏大0.01-0.02V。这可以通过校正0808的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用7805的供电电源作为基准电压，电压可能有偏差。另外可以用软件编程来校正测量值。

ADC0809的直流输入阻抗为1M欧姆，能满足一般的电压测试需要。另外，经测试ADC0809可直接在2MHz的频率下工作，这样可省去分频率14024。

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东北石油大学本科生课程设计（论文） 结 论

通过此次课程设计，让我对EDA这门技术有了更深的体会，并更好的学会了使用QuartusⅡ软件进行硬件设计。

此次课程设计时基于VHDL语言进行的数字钟设计，在课程设计时，我逐渐掌握了VHDL语言的语句及语法等的使用。但在学习过程中，也遇到了很多困难，由于刚刚学习EDA不久，所以很多细节内容都不是很了解，尤其是VHDL语言的运用。我先上网找了一些资料和程序，一点点的看，慢慢摸索着学习写语句。最后在老师和同学的帮助下，终于完成了数字电压表的设计。以后我会利用更多时间来学习EDA技术。

EDA技术有着非常好的发展前景，是进几年电子工业的发展趋向，中国的EDA行业发展十分迅速，有着很大的潜力。

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东北石油大学本科生课程设计（论文） 参考文献

[1] 李朝清.单片机原理及技术接口[M].出版社:北京航空航天大学出版社.出版时

间:2011年6月第17次印刷

[2] 康华光，邹寿彬等.电子技术基础数字部分[M].出版社：高等教育出版社. [3] 康华光，陈大钦，张林，电子技术基础模拟部分[M].出版社：高等教育出版社. [4] 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社,2002 [5] 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法［J］.电子技术应用.1993.

第一期

[6] 高峰.单片微型计算机与接口技术[M].北京科学出版社,2003.

[7] 刘伟,黄勇.一种基予C8051F单片机的SOC型数据采录器的设计与实现［J］. [8] 新型AT89S52系列单片机及其应用[M].孙育才,北京：清华大学出版社2005-5 [9] 王玫.基于EDA技术的数字电路课程设计实例分析[J].2009 [10] 张晓军.解大.陈陈.VHDL语言在电子设计自动化中的应用[J].2002

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东北石油大学本科生课程设计（论文） 东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称 题目名称 学生姓名 序号 1 张乃元 评价项目 选题难度 学号 硬件课程设计 数字电压表设计 100702140614 指导教师姓名 李冰 职称 满分 10 副教授 评分 指 标（优秀） 选题难度较高，或者对原题目进行了相当程度的改进。 工作量、工作态工作量饱满，工作努力，遵守纪律，出勤率高，2 度和出勤率 课程设计质量 工作作风严谨，善于与他人合作。 按期圆满的完成了规定的任务，方案设计合理，3 思考问题全面，系统功能完善。 问题论述思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写4 报告质量 规范，图表完备正确。 在进行课程设计程序系统检查时，能正确回答指5 回答问题 导教师所提出的问题。 工作中有创新意识，对前人工作有改进或有应用6 创新（加分项） 价值。在进行系统检查时能对创新性进行说明，并在报告中有相应的论述。 总分 评语： +5 10 30 40 10 指导教师： 年 月

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