巴克码发生器-EDA

课程设计任务书学生: 王伟专业班级:电子科学与技术1001班指导教师:华_工作单位: 信息工程学院题目: 巴克码发生器初始条件：quartusII软件, EP1C3T144C8芯片要求完成的主要任务：深入研究EDA技术和VHDL硬件描述语言的理论知识，并设计一序列信号发生器程序，利用quartusII强大的图形处理，语言编译功能及仿真功能，实现序列信号发生器的实现。

1.用VHDL语言设计一个有限状态机，用以实现序列信号发生器。

2.用quartusII软件实现VHDL程序的仿真。

3.用EP1C3T144C8芯片实现序列信号发生器设计的硬件测试。

4.撰写《EDA应用实践》课程设计说明书。

时间安排：1、2012年12月17日，课设任务布置。

2、2012 年12月18日至2012年12月21日，设计，软件编程，仿真和调试。

3、2012年12月22日，机房检查仿真结果，验证设计的可行性和正确性。

4、2012年12月23日，熟悉实验平台和实验箱。

5、2012年12月24日至2012年12月26日，设计的硬件调试。

6、2012年12月27日至2012年12月28日，实验室检查设计成果，现场演示硬件实物，提交设计说明书及答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1绪论 (1)2 设计思路 (2)2.1状态机简介 (2)2.2 Moore型状态机 (2)2.3 Mealy型状态机 (2)2.4设计方案 (2)3 各个设计模块 (4)3.1分频模块 (4)3.2状态机实现序列发生器 (5)3.2.1序列发生器的实现 (6)3.2.2序列发生器的波形仿真 (8)3.3总体的电路 (10)3.4引脚锁定及硬件实现结果 (10)4 心得体会 (12)参考文献： (13)附录 (14)摘要EDA 技术是近几年迅速发展起来的计算机软件、硬件和微电子交叉的现代电子设计学科，EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL 完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

本设计借助可编程逻辑器件，运用VHDL语言编程，利用数控分频器，数码管制成了序列发生器。

关键词：EDA；可编程逻辑器件；VHDL；数控分频器；ABSTRACTEDA technology is developing rapidly in recent years, computer software, hardware and electronic design of modern microelectronic cross-disciplinary, EDA technology is the computer as a tool designer in EDA software platform, complete with hardware description language HDL design files, and then Done automatically by a computer logic compilation, reduction, segmentation, synthesis, optimization, placement, routing and simulation, until the adapter chip for the specific target compilation, mapping and programming logic to download and so on. With this design, programmable logic devices, the use of VHDL language programming, the use of numerical divider, digital control has become sequencer.Keywords:EDA; programmable logic device; VHDL; NC divider;1绪论人类社会已进入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。

现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。

前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是EDA技术。

EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：IC设计,电子电路设计以及PCB设计。

没有EDA技术的支持，想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。

VHDL 是常用的HDL，它的英文全名是VHSIC“Very High Speed Integrated Circuit Handware Description Language （高速集成电路硬件描述语言）”,VHDL 语言具有很强的电路描述和建模能力，能简化硬件设计任务，提高设计的效率和可靠性[2]。

Quartus II 是Altera 提供的FPGA“Field Programmable Gate Array （现场可编程门阵列）”和CPLD“Complex programmable Logic Device( 复杂可编程逻辑器件)”的开发集成环境, Altera 是世界最大可编程逻辑器件供应商之一[3]。

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[4]。

2 设计思路本课程设计的要：设计一个巴克码发生器，用以产生输出序列“01110010”。

并且使用VHDL 语言编程，在试验箱上实现。

巴克码发生器最常见的是用状态机程序编写的，由状态机程序进而写出序列发生器。

最终在硬件上实现。

2.1 状态机简介状态机就是一组触发器的输出状态随着时钟和输入信号按照一定的规律变化的一种机制或过程，任何时序电路都可以表示为有限状态机，有限状态机是实现高可靠逻辑控制的重要途径，是大型数字系统设计中的重要组成部分，尤其是进行复杂的时序逻辑电路的实现。

2.2 Moore型状态机从输出时序上看，Moore型状态机属于同步输出状态机，它的输出仅为当前状态的函数，这类状态机的输入发生变化时还必须等待时钟的到来，时钟使状态发生变化时才导致输出变化。

2.3 Mealy型状态机与Moore型状态机不同，Mealy型状态机输出状态不仅与当前状态有关，而且与输入信号有关，因此输入信号可以直接影响输出信号，不依赖与时钟的同步，属于异步时序的概念。

2.4 设计方案由题目的要求设计巴克码发生器：通过编程产生高低电平，即我们所需的信号序列。

对产生的序列我选择用实验箱上的发光二级管来显示，但是如果用实验箱上所有八个发光二极管来显示8位的高低信号在编程时比较复杂，且观察时不易分辨各个信号。

于是便考虑用一个灯循环显示整个序列，由于连续出现多个高平信号1时，视觉不好区分，所以我又选择了秒脉冲信号来启动一个发光二极管用来对产生的序列信号进行对比。

由于实验箱上提供的信号频率是20MHZ 。

为了完成实验要求必须对信号分频使得显示正常。

也就是说在设计中要有分频模块，用以产生秒脉冲。

最后把各个模块连接起来可以用元件例化的方法，也可以用原理图连接生成总的顶层文件，从而达到设计的目的，实现序列发生器的设计。

表一：序列发生器控制表复位信号clr.当clr=0时，使输出始终为s0=0,也就是输出显示的灯一定是常暗。

当clr=1时，不影响程序运行，正常输出序列。

灯有亮暗之分。

从灯的输出情况可以看出序列的正确性。

0 图5-1 状态图3 各个设计模块3.1分频模块由于实验箱的频率太大，为20MHz。

为了使实验显示能正确显示，必须对其进行分频，得到秒脉冲。

即将用于显示的频率分成1HZ.所以在序列发生器中的频率我用1HZ的频率。

在设计分频模块时，先通过编写程序并调试正确，然后根据4.1中的步骤进行模块的生成和进行波形的仿真。

其图如4.5，4.6。

在图4.6中由于输入的信号20MHZ而输出的信号是1HZ，数量级相差太大，仿真现象无法观察，现象不明显。

在图中仿真波形实现不了，但在之后的实验中证实所分频率为1Hz。

实现过程：由于实验板提供的是20Mhz，所以每10Mhz（cr=10000000）输出的电平高低变化一次，即输出cl取反，进而产生秒脉冲。

通过：if cr>=10000000 thencr<=0;cl<=(not cl);else cr<=cr+1;end if; 语句可实现上述功能。

图6-1元件编程结果图6-2 分频器3.2 状态机实现序列发生器关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成。

状态机通过响应一系列事件而“运行”。

每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制围，其中函数的围是节点的一个子集。

函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。

这些节点中至少有一个必须是终态。

当到达终态，状态机停止。

包含一组状态集（states）、一个起始状态（start state）、一组输入符号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型。

当输入符号串，模型随即进入起始状态。

它要改变到新的状态，依赖于转换函数。

在有限状态机中，会有有许多变量。

在本例中会有8个变量.状态机的每一个状态在实际电路中是一组触发器的当前二进制数位的组合来表示，但设计者在状态机的设计中，为了更利于阅读，编译和VHDL综合器的优化，往往将表征每一状态的二进制数组用文字符号来代表，即所谓状态符号化。

3.2.1序列发生器的实现本例中要输出8个高低电平，所以用到8个变量，如下程序语句。

首先通过：type state_value is(s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7);signal stste:state_value;来自定义状态机类型。

本例中，信号stste的数据类型被定义为state_value，它的取值围是可枚举的，即从s0一直到s7共八种，而这些状态代表8组的一位二进制，以此代表八个高低电平信号。