基于vhdl的數字電壓表設計學士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 夾、設計項目名稱和項目頂層文件實體名。設計項目名稱和頂層文件實體名可以相同，在多層次系統設計中，一般與設計項目同名的設計實體作為頂層文件。本例以 shili為例。 圖 建立新項目向導對話框 然后單機 Finish 按鈕，完成設計項目的建立。 2)輸入文本文件 輸入文本文件的操作步驟如下： 選擇菜單命令下的“ File— New”，彈出如圖 所示的新建文件對話框。選中 VHDL File，單擊 OK 按鈕，彈出一個無名稱的文本編輯窗口，可以在此文本編輯窗口中輸入VHDL 文件。 沈陽理工大學學士學位論文 8 圖 新建文佳對話框 輸入完成后，選擇菜單命令：“ File— Save Project”，保存整個設計項目；或者選擇菜單命令：“ File— Save”，保存當前設計文件。注意保存文件名要和實體名一致。 Quartus II 設計仿真 1） 創建波形文件 選擇菜單命令“ File— New— Vector Waveform File”，如圖 所示，然后單擊 OK按鈕，就會出現一個無標題的波形編輯窗口，如圖 所示。 沈陽理工大學學士學位論文 9 圖 建立仿真波形文件對話框 圖 新建仿真波形編輯窗口 2） 創建輸入輸出向量 創建輸入輸出向量操作步驟如下： 依次選擇菜單命令“ Edit— Insert— Insert Node or Bus”，或者在向量編輯窗口空白沈陽理工大學學士學位論文 10 位置處（黑粗矩形框內空白位置）單擊鼠標右鍵，在右鍵下拉菜單中選擇“ Insert— Insert Node or Bus”，如圖 所示。 圖 仿真波形編輯窗口 Insert Node or Bus 對話框中提供了被添加 Node 或 Bus 的名稱、類型、數值類型、數制類型和總線寬度等屬性。如圖 所示 圖 添加 Node 或 Bus 對話框 在圖 中單擊 ”Node Found”按鈕，就會彈出 Node Found 對話框，如圖 所示。在“ Filter”欄中選擇“ Pins： all”，單擊“ List”按鈕，可以發現“ Node Found”中列出了 文件中所有的輸入輸出向量。可以通過“≥”、“ ”、“≤”及“ ”沈陽理工大學學士學位論文 11 4 個 按鈕將 Node 添加到“ Selected Nodes”欄中或者從“ Selectede Nodes”欄中刪除，“≥”和“≤”按鈕只能對單個操作有效，“ ”和“ ”按鈕對所有 Nodes 有效。添加完成后，點擊“ OK”按鈕，在設置輸入完成后，就可以仿真波形了。 圖 仿真波形編輯窗口 沈陽理工大學學士學位論文 12 2 設計任務與要求 要求利用 FPGA 控制模塊數轉換器對外部輸入的模擬信號進行采樣，獲取當前電壓值，并在數碼管上顯示 。 傳統的數字電壓表設計通常以大規模 ASIC(專用集成電路 )為核 心器件，輔以少量中規模集成電路及顯示器件構成。 ASIC 完成從模擬量的輸入到數字量的輸出，是數字電壓表的心臟，這種電壓表的設計簡單、精確度高，但是這種設計方法由于采用了 ASIC器件使得的它欠缺靈活性，其系統功能固定，難以更新擴展。后來發展起來的微處理器（單片機）控制通用 A/D 轉換器件的數字電壓表的設計的靈活性有所提高，系統功能的擴展性變得簡單，但是由于微處理機的引腳數量有限，其控制轉換速度和靈活性還是不能滿足日益發展的電子工業的需求。而應以 EDA 技術及 FPGA，其集成度高、速度快、性能十分可靠、用戶可自由編程 且編程語言通俗易懂、系統工程擴展非常方便。采用FPGA 芯片控制通用 A/D 轉換器可是速度、靈活性大大優于微處理器和通用 A/D 轉換器構成的數字電壓表。 1 能夠實現一個通道的采樣控制； 2 產生 ADC0809 工作所需的各種控制信號； 3 計算轉換后的數字電壓信號，并以 BCD 碼方式表示。 沈陽理工大學學士學位論文 13 3 設計方案 方案一： 利用 ADC0809 作為電壓采樣端口， FPGA 作為系統的核心器件，用 LED 進行數碼顯示，把讀取的 8 位二進制數據轉換成便利于輸出 3 位十進制 BCD 碼送給數碼管。 采用 FPGA 芯片作為系統的核心器件，負責 ADC0809 的 A/D 轉換的啟動、地址鎖存、輸入通道的選擇、數據的讀取。同時，把讀取的 8 位二進制數據轉換成便于輸出 3位十進制的 BCD 碼送給數碼管，以顯示當前測量電壓值。這些工作由 ADC0809 轉換控制模塊、數據轉換模塊、譯碼模塊完成。 圖 數字電壓表系統模塊 方案二： 基于 VHDL 語言的系統設計是采用自頂向下的設計方法，將系統劃分為多個功能模塊，然后再逐個實現各個模塊的功能，最終把他們組合在一起，形成一 個大的系統。 本系統共分為 6 個模塊，分別為時鐘分頻（ div_f）、數據采集控制（ cs_control）、數據串轉并（ chuan2bing）、顯示數值計算（ data_calculate）、數碼管掃描（ led_select）、顯示譯碼（ led_translate） 。 在設計中，主要采用分模塊的方式，先實現各個模塊，然后組成整個系統。主要分為如下幾個模塊：時鐘分頻（ div_f）、數據采集控制（ cs_control） 、數據串轉并（ chuan2bing）、顯示數值計算（ data_calculate）、數碼管掃描（ led_select） 、顯示譯時鐘 信號 start A/D 轉換器 A/D轉換控制模塊 數據轉換 模 塊 譯碼模塊 ale add oe eoc 數據輸入 沈陽理工大學學士學位論文 14 碼（ led_translate）。其中時鐘分頻主要用計數器實現，采樣數據暫存于一寄存器。利用TLC549 就可以采集外部模擬電壓的大小并轉換成數字信號，通過串行輸入到控制器，經過控制器對數據處理如計算成實際電壓、保留三位小數，再經過控制器設計的數碼管控制模塊控制四個數碼管顯示處理過后的數據，就實現了將外部電壓值顯示在數碼管的功能，這樣就實現了數字電壓表的顯示。 這里我們采用方案一。 沈陽理工大學學士學位論文 15 4 各器件的選擇 A/D 轉換器 ADC0809 控制電路 ADC0809 的功能介紹 利用 ADC0809 作為電壓采樣端口， FPGA 作為系統的核心器件，用 LED 進行數碼顯示，把讀取的 8 位二進制數據轉換成便于輸出 3 位十進制 BCD 碼送給數碼管。 由 FPGA 設計的 ASIC 芯片： 一方面產生 ADC0809 的控制信號，控制 ADC0809 實現 0~5v 的模擬電壓到 8 位數字量DB0~DB7 的變換； 另一方面將讀入的數字量轉化成電壓工程值，并轉換為 3 位 BCD 碼的七段數字顯示字符碼送到 LED 數碼管進行顯示。 FPGA 構成的 ASIC 芯片中包括三部分電路： （ 1） 用有限狀態機設計的 A/D 轉換控制 電路； （ 2） 將 8 位數字量 DB0~DB7 轉換為 3 位 BCD 碼的電壓值的轉換電路； （ 3） 3 位 LED 顯示器的譯碼顯示電路 圖 ADC0809 控制器的狀態轉換圖 EOC=1 st0 st1 st2 st3 st4 0/0000 0/1100 EOC=0 EOC/ALE/START/OE/LOCK 0/0000 0/0011 沈陽理工大學學士學位論文 16 圖 ADC0809 的引腳圖 ADC0809 引腳介紹 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說明各引腳功能。 IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 D0～ D7： 8 位數字量輸出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： A／ D 轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動（脈沖上升沿使 0809 復位，下降沿啟動 A/D 轉換）。 EOC： A／ D 轉換 結束信號，輸出，當 A／ D 轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為電平）。 OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 A／ D 轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態門，輸出數字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基準電壓。 Vcc：電源，單一＋ 5V。 GND：地。 ADC0809 芯片的控制方法及轉換過程 控制 ADC0809 動作的信號有 ： ALE,START,OE,EOC。 沈陽理工大學學士學位論文 17 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地 址鎖存器中。此地址經譯碼選通 8路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D 轉換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到 A/D 轉換完成， EOC 變為高電平，指示 A/D 轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當 OE 輸入高電平 時，輸出三態門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。 轉換數據的傳送 A/D 轉換后得到的數據應及時傳送給單片機進行處理。數據傳送的關鍵問題是如何確認 A/D 轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式 。 （ 1）定時傳送方式 對于一種 A/D 轉換器來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如ADC0809 轉換時間為 128μ s，相當于 6MHz 的 MCS51 單片機共 64 個機器周期。可據此設計一個延時子程序， A/D 轉換啟動后即調用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已經完成了，接著就可進行數據傳送。 （ 2）查詢方式 A/D 轉換芯片由表明轉換完成的狀態信號，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查詢方式，測試 EOC 的狀態，即可確認轉換是否完成，并接著進行數據傳送。 （ 3） 中斷方式 把表明轉換完成的狀態信號（ EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數據傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉換完成，即可通過指令進行數據傳送。首先送出口地址并以信號有效時， OE 信號即有效，把轉換數據送上數據總線，供單片機接受 [18]。 ADC0809 的動作大致分為 5 個步驟區間： S0， S1， S2， S3， S4。 每個步驟區間的動作方式如下： 步驟 S0：對 ADC0809 進行復位操作； 步驟 S1：由 FPGA 發出信號要求 ADC0809 進行 A/D 轉換； 步驟 S2：轉換后，轉換完畢后的 EOC 將高電位降到低電位，而轉換時間 100us； 步驟 S3：轉換結束，有 FPGA 發出讀命令； 步驟 S4： 有 FPGA 讀取 DB0~DB7 上的數字轉換資料，并鎖存數據。 沈陽理工大學學士學位論文 18 BCD 碼 BCD 碼的介紹 8 位數字量 BD0~BD7 如何變成 3 位 BCD 碼？用 FPGA 實現乘除法是很耗資源的，因而，下面采用查表方法求取 BD0~BD7 與模擬輸入電壓 0~5v 的對應關系。 編一個查表程序，對上述電壓進行 BCD 編碼，然后根據對應的 4 位 BCD 碼相加的結果決定是否進位，從而得到待處理數據的 BCD 碼。例如：從 AD0809 上 取得的數據位“ 11011110”，“ 1101”對應的電壓值位 ,其對應的 BCD 編碼為“ 010000010110”，“ 1110”對應的電壓值為 ，其對應的 BCD 編碼為“ 000000101000”。低 4 位相加為“ 1110”，大于 9，加 6 將其調整為 BCD 碼，其值為 0100，并且向前有一進位。四位相加的結果為 0011，由于低位有進位，因此最終結果為 0