电子科技大学综合课程设计FPGA秒表 - 图文

现代电子技术综合实验

（数字秒表）

实验报告

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时间2013年4月25日

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中文摘要

摘 要:随着电子信息产业的不断发展，基于FPGA的应用技术发展迅速，在某些领域FPGA正逐步代替dsp、arm、单片机等微处理器。本文设计一个基于FPGA技术的数字秒表。首先，我们把晶振产生的50MHZ时钟信号送入FPGA芯片内，经FPGA内分频模块处理产生1KHZ时钟信号。秒表的功能模块由VHDL语言编写，在Xilinx的ISE环境下调试，并在Modelsim上完成仿真，在最后把产生的信号送入LED显示电路里进行显示。本文从电子秒表的具体设计触发，详细阐述了基于FPGA的数字秒表的设计方案，设计了各模块的代码，并对硬件电路进行了仿真。

关键词：FPGA，VHDL，电子秒表

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目 录

第一章 引言.............................................................................................................. 4 第二章 基于FPGA的VHDL设计流程................................... 4 2.1 概述 ........................................................ 4 2.2 VHDL语言介绍 ................................................ 5 2.2.1 VHDL的特点.............................................. 5 2.2.2 基于VHDL的自顶向下设计方法 ............................. 6 2.3 FPGA开发介绍 ................................................ 7 2.3.1 FPGA简介................................................ 7 2.3.2 FPGA设计流程............................................ 8 2.3.3 Spartan-II芯片简介...................................... 9 第三章 数字秒表的设计与实现...................................... 15 3.1 项目任务与设计思路 ......................................... 15 3.2基于VHDL方法的设计方案 ..................................... 15 3.3系统电路设计 ................................................ 16 3.4系统单元模块设计

3.4.1 分频器 ................................................. 17 3.4.2 计数器 ................................................. 18 3.4.3 扫描控制显示电路 ....................................... 24 3.4.4 按键消陡模块 ........................................... 30 3.4.5 控制电路模块 ........................................... 31 3.4.6 锁存器模块 ............................................. 33 3.4.7 电子秒表顶层连接模块....................................34 3.5 系统硬件实现与调试.............................................37 3.6结束语 ........................................................38 致 谢............................................................ 38

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第一章 引言

随着电子信息产业的发展，数字系统的规模越来越大，更多采用自顶而下的模块化设计方法，这就要求技术人员对于基本的模块有着深入的理解。随着FPGA技术的发展和成熟，用FPGA来做为一个电路系统的控制电路逐渐显示出其无与伦比的优越性。因此本文采用FPGA来做为电路的控制系统，采用模块化的设计方法设计一个能显示从00-00-00到59-59-99，并且具备秒表所有功能的小型数字系统。

第二章 基于FPGA的VHDL设计流程

2.1 概述

数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。频率计的设计有传统方法和现代方法，传统的设计方法耗时耗功，设计强度大，且容易出错，设计的质量不一定是最好的。自然我们考虑到现代方法，即二十世纪八十年代兴起的电子设计自动化技术，英文为Electronic Design Auto，缩写为EDA。在EDA设计工具中，用的最广泛的是VHDL和VERILOG，当然还有其它的。比较VHDL和VERILOG，在顶层设计方面VHDL优于VERILOG，在门级电路设计方面VERILOG优于VHDL。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL语言，将使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。本次的频率计设计主要是顶层设计，目的是设计6位十进制频率计，学习常用的数字系统设计方法。采用VDHL编程设计实现的数字频率计，除被测信号的整形部分、键输入部分以外，其余全部在一片FPGA芯片

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上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。在不更改硬件电路的基础上，对系统进行各种改进还可以进一步提高系统的性能。该数字频率计具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。

2.2 VHDL语言介绍

VHDL(Very-high-speed Integrated Circuit Hardware Description Language)诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers）和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本（IEEE-1076）之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，并宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。现在，VHDL和VERILOG作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL和VERILOG语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务。 2.2.1 VHDL的特点

VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式，描述风格以及句法十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称为设计实体（可以是一个元件、一个电路模块或一个系统）分成外部（又称为可视部分，即端口）和内部（又称为不可视部分），即设计实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其它的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的，具体如下：

1、与其它的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。就目前流行的EDA工具和VHDL综合器而言，将基于抽象的行为描述风格的VHDL程序综合成为具体的FPGA和CPLD等目标器件的网表文件已不成问题，只是在综合与优化效率上略有差异。

2、VHDL最初是作为一种仿真标准格式出现的，因此VHDL既是一种硬件电路描述和设计语言，也是一种标准的网表格式，还是一种仿真语言。其丰富的

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