基于FPGA的数字调制系统设计

<<通信原理>>课程设计说明书

题目

基于FPGA的多进制数字相位调制系统设计

学院：电信学院

学生姓名：付志颖

指导教师：李欣职称实验师

专业：通信工程

班级：1401

完成时间：2017年6月

目录

摘要 (1)

Abstract................................................................. 错误！未定义书签。

1 绪论 (2)

1.1课题背景 (2)

1.2研究现状 (2)

1.3课题研究的目的和意义 (2)

2硬件平台概述 (3)

2.1FPGA简介 (3)

2.2FPGA系统设计流程 (9)

2.3 QuartusⅡ简介 (10)

3系统算法介绍 (15)

3.1曼彻斯特编码简介 (15)

3.2曼彻斯特编码的原理 (15)

3.3数字调制技术概述 (15)

3.4FSK调制原理以及其特点 (16)

4系统方案设计 (20)

4.1 VHDL硬件描述语言 (20)

4.2 功能模块介绍 (21)

5总结与展望 (28)

5.1总结 (28)

5.2展望 (28)

致谢 (32)

参考文献 (32)

附录1：中文文献 (32)

附录2：设计总图 (35)

摘要

在科学技术迅速发展尤其是在通信领域以及电子信息方面的发展更为突出的今天，设计者需要一个高速通用硬件平台来实现并验证自己的通信系统和相关算法。FPGA(现场可编程门阵列)作为一种大规模可编程逻辑器件，体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、适用范围宽，并且设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进并可实时在线检验，广泛应用于产品的原型设计和产品生产。

与传统的DSP(数字信号处理器)或GPP(通用处理器)相比，FPGA在某些信号处理任务中表现出非常强的性能，具有高吞吐率、架构和算法灵活、并行计算、分配存储以及动态配置等优势，因此非常适合用于设计验证高速通信系统的基带处理部分。

基于FPGA的通信系统基带设计验证平台采用大容量、高性能的FPGA器件，为通信系统的基带设计提供了一个有效的硬件实现平台。基于FPGA的实现和验证与计算机仿真相结合，将大大加速通信系统基带部分的快速原型设计，极大地方便了对实时性和运算量有较高要求的各类算法的验证。

本论文实现了一种基于FPGA的数字信号调制系统的实现方案，由曼彻斯特编码加密后通过频移键控(FSK)数字调制，在QuartusII软件上进行了逻辑编译，以及代码时序仿真，进而验证系统的可行性与可靠性。

关键词：现场可编程门阵列，频移键控调制，曼彻斯特编码

1 绪论

1.1 课题背景

从1837年莫尔斯发明电报算起，一个世纪以来，通信的发展大致经历了三大阶段：以1837年发明电报（莫尔斯电码）为标志的通信初级阶段；以1948年香农提出的信息论开始的近代通信阶段；以20世纪70年代出现的光纤通信为代表的和以综合业务数字网迅速崛起为标志的现代通信阶段。光纤通信技术、卫星通信技术和移动通信技术成为现代通信技术的三大主要发展方向。

专用集成电路（ASIC）即特定的电子电路和系统（包括模拟、数字与数模混合电路）的设计与制造，在发达国家已经完成了由传统模式向现代化设计模式的转变，即完成了向电子线路与系统功能设计的转变。通过软件开发工具完成硬件电路的设计，近年来在国内也已经逐渐开展起来，并引进了一些国外的先进设计技术在各种新型电子设备和采用电子线路的设备中广泛使用。其中，由于“现场可编程门阵列”（FPGA）设计灵活、速度快，在数字专用集成电路的设计中得到更为广泛的使用。复杂可编程逻辑器件（CPLD）/现场可编程门阵列（FPGA）器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。使用CPLD/FPGA器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。更吸引人的是，采用CPLD/FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改。它成为研制开发的理想器件之一，特别适合与产品的样机开发和小批量生产，因此有时人们也把FPGA称为可编程的ASIC。

1.2 研究现状

1985年，Xilinx 公司推出的全球第一款FPGA 产品XC2064怎么看都像是一只“丑小鸭”——采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。22年后的2007年，FPGA 业界双雄Xilinx和Altera公司纷纷推出了采用最新65nm工艺的FPGA 产品，其门数量已经达到千万级，晶体管个数更是超过10亿个。一路走来，FPGA 在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步——2001年采用150nm工艺、2002年采用130nm工艺，2003年采用90nm工艺，2006年采用65nm工艺。

FPGA 对半导体产业最大的贡献莫过于创立了无生产线(Fabless)模式。如今采用这种模式司空见惯，但是在20多年前，制造厂被认为是半导体芯片企业必须认真考虑的主要竞争优势。然而，基于过去制造厂直接、清晰的业务模式，

Xilinx 创始人之一BernieV onderschmitt成功地使日本精工公司(Seiko)确信利用该公司的制造设施来生产Xilinx公司设计的芯片对双方都是有利的，于是，无生产线模式诞生了。

未来，相信FPGA 还将在更多方面改变半导体产业！

1.3 课题研究的目的和意义

FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的。它主要解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低，FPGA还将进入更多的应用领域。

2硬件平台概述

2.1 FPGA简介

目前以硬件描述语言（Verilog 或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA 上进行测试，是现代IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连

接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。

2.1.1FPGA的芯片结构及工作原理

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB （Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

每个模块的功能如下：

1．可编程输入输出单元（IOB）

可编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，其示意结构如图2-1所示。FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。目前，I/O口的频率也越来越高，一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。

图2-1 典型的IOB内部结构示意图

外部输入信号可以通过IOB模块的存储单元输入到FPGA的内部，也可以直接输入FPGA 内部。当外部输入信号经过IOB模块的存储单元输入到FPGA内部时，其保持时间（Hold Time）的要求可以降低，通常默认为0。为了便于管理和适应多种电器标准，FPGA的IOB被划分为若干个组（bank），每个bank的接口标准由其接口电压VCCO决定，一个bank只能有一种VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。只有相同电气标准的端口才能连接在一起，VCCO电压相同是接口标准的基本条件。

2．可配置逻辑块（CLB）

CLB是FPGA内的基本逻辑单元。CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同，但是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多个（一般为4个或2个）相同的Slice 和附加逻辑构成，如图2-2所示。每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。

图2-2 典型的CLB结构示意图

Slice是Xilinx公司定义的基本逻辑单位，其内部结构如图2-3所示，一个Slice由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。算术逻辑包括一个异或门（XORG）和一个专用与门（MULTAND），一个异或门可以使一个Slice实现2bit全加操作，专用与门用于提高乘法器的效率；进位逻辑由专用进位信号和函数复用器（MUXC）组成，用于实现快速的算术加减法操作；4输入函数发生器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器（Virtex-5系列芯片的Slice中的两个输入函数为6输入，可以实现6输入LUT或64比特移位寄存器）；进位逻辑包括两条快速进位链，用于提高CLB模块的处理速度。

图2-3 典型的4输入Slice结构示意图

3．数字时钟管理模块（DCM）

业内大多数FPGA均提供数字时钟管理（Xilinx的全部FPGA均具有这种特性）。Xilinx推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。

4．嵌入式块RAM（BRAM）

大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器（CAM）以及FIFO等常用存储结构。RAM、FIFO是比较普及的概念，在此就不冗述。CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址，因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。除了块RAM，还可以将FPGA中的LUT灵活地配置成RAM、ROM。现场可变成门阵列（Field-programmable gate array, FPGA）填补了数和FIFO等结构。在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。

单片块RAM的容量为18k比特，即位宽为18比特、深度为1024，可以根据需要改变其位宽和深度，但要满足两个原则：首先，修改后的容量（位宽深度）不能大于18k比特；其次，位宽最大不能超过36比特。当然，可以将多片块RAM级联起来形成更大的RAM，此时只受限于芯片内块RAM的数量，而不再受上面两条原则约束。

5．丰富的布线资源

布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为4类不同的类别。第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。

在实际中设计者不需要直接选择布线资源，布局布线器可自动地根据输入逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择布线资源来连通各个模块单元。从本质上讲，布线资源的使用方法和设计的结果有密切、直接的关系。

6．底层内嵌功能单元

内嵌功能模块主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP和CPU等软处理核（SoftCore）。现在越来越丰富的内嵌功

能单元，使得单片FPGA成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设计的能力，逐步向SOC平台过渡。

DLL和PLL具有类似的功能，可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空比调整和移相等功能。Xilinx公司生产的芯片上集成了DLL，Altera公司的芯片集成了PLL，Lattice公司的新型芯片上同时集成了PLL和DLL。PLL 和DLL可以通过IP核生成的工具方便地进行管理和配置。

7. 内嵌专用硬核

内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核（Hard Core），等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。例如：为了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA 中都集成了专用乘法器；为了适用通信总线与接口标准，很多高端的FPGA内部都集成了串并收发器（SERDES），可以达到数十Gbps的收发速度。

Xilinx公司的高端产品不仅集成了Power PC系列CPU，还内嵌了DSP Core模块，其相应的系统级设计工具是EDK和Platform Studio，并依此提出了片上系统（System on Chip）的概念。通过PowerPC、Miroblaze、Picoblaze 等平台，能够开发标准的DSP处理器及其相关应用，达到SOC的开发目的。

2.1.2 FPGA的作用

现场可编程门阵列（Field-programmable gate array, FPGA）填补了数字系统设计的空白，是对微处理器的补充。尽管微处理器能用于许多场合，但是它们依靠软件才能实现其功能，因此比起定制芯片，它们一般运行速度比较慢而且功耗大。同样地，FPGA也不是定制芯片，因此，它们无法像那些为某一应用而设计的定制芯片那么擅长完成特定功能。FPGA一般也比定制逻辑芯片的运行速度慢而且功耗大，同时相对较贵；所以人们认为定制芯片更便宜。然而，由于它们是标准器件，因而能够弥补定制芯片的一些不足。从完成设计到取得一个可工作的芯片之间不用等待，可以把程序写入FPGA并立即进行测试。

FPGA是一种出色的制作样机工具。当在最终设计中用到FPGA时，可以更简单、更容易地完成从样机到产品的飞跃。同种类型的FPGA可以用于不同类型的设计中，以降低库存费用。

它们大多数时候用作胶合逻辑（glue logic）——即将系统的主要元件连接在一起的逻辑。通常用于样机设计，因为它们是可编程的，并且可以在几分钟内嵌入电路板中。但是通常不用它们来做最后的产品。可编程逻辑器件在使用它的系统中通常并不是主要器件。随着数字系统越来越复杂，更高密度的可编程逻辑需求越来越多，PLD器件的两级逻辑结构的局限性也越来越明显。

两级逻辑结构对相对较小的逻辑功能是非常有用的，但随着集成度的提高，两级逻辑结构的效率降低。FPGA通过使用任意深度的多级结构提供可编程逻辑，使用可编程的逻辑单元和可编程的互联结构来建立多级逻辑功能。

一般认为是Ross Freeman研制了FPGA。他的FPGA包括可编程逻辑器件和一个可编程的互联结构，通过SRAM而不是反熔丝方式编程。这样可以按照标准VLSI加工流程生产FPGA，节省资金并提供更多的加工选择。同时也能对电路中的FPGA进行重新编程；在FLASH闪存没有广泛使用前，这是一个特别吸引人的特征。

Xilinx和Altera公司早期都销售基于SRAM的FPGA。Actel公司则研制了另一种反熔丝结构的FPGA。这中结构无法现场重编程，在无需重新配置的情况下这是一种优点。Actel公司的FPGA在连线通路上使用多取向的逻辑结构组织。

多年以来，FPGA主要是胶合逻辑和样机设计的工具。今天，它们被用于各种各样的数字系统：高速电信设备的组成部分；家庭个人视频录像机（PVR）的视频加速器。FPGA已经成为数字系统实现的主流器件。

2.1.3 FPGA的基本特点

1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

2.2 FPGA系统设计流程

一般说来，一个比较大的完整的项目应该采用层次化的描述方法：分为几个较大的模块，定义好各功能模块之间的接口，然后各个模块再细分去具体实现，这就是TOP DOWN（自顶向下）的设计方法。目前这种高层次的设计方法已被广泛采用。高层次设计只是定义系统的行为特征，可以不涉及实现工艺，因此还可以在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网络表，使工艺转化变得轻而易举。CPLD/FPGA系统设计的工作流程如图2-4所示。

图2-4 CPLD/FPGA系统设计流程

流程说明：

1.工程师按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。

2.输入VHDL代码，这是设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式（框图、状态图等），这种输入方式具有直观、容易理解的优点。

3.将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。

4.进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性。这一步骤适用于大型设计，因为对于大型设计来说，在综合前对源代码仿真，就可以大大减

少设计重复的次数和时间。一般情况下，这一仿真步骤可略去。

5.利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网络表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库的支持下才能完成。

6.利用产生的网络表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，是较为粗略的。一般的设计，也可略去这一步骤。

7.利用适配器将综合后的网络表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。

8.在适配完成后，产生多项设计结果：（a）适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；（b）适配后的仿真模型；（c）器件编程文件。根据适配后的仿真模型，可以进行适配后时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延特性），所以仿真结果能比较精确的预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就修改VHDL源代码或选择不同速度和品质的器件，直至满足设计要求。

最后将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片CPLD/FPGA中。

2.3 QuartusⅡ简介

Quartus II是Altera公司在21世纪初推出的CPLD/FPGA集成开发环境，它是该公司前一代CPLD/FPGA集成开发环境MAX+PUSII的更新换代产品。QuartusII提供了一种与结构无关的设计环境，其界面友好，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。

QuartusII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。QuartusII是单片可编程系统设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具；QuartusII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。QuartusII可以直接利用第三方的综合工具，如Leonardo Spectrum，并能直接调用这些工具。QuartusII具备仿真功能，同时也支持第三方的仿真工具，如ModelSim。

QuartusII包括模块化的编译器。编译器所包含的功能模块有分析/综合器(Analysis&Synthesis)、适配器(Fitter)、装配器(Assembler)、定时分析器(TimingAnalyzer)、设计辅助模块(Design Assistant)、EDA网表文件生成器(EDA Netlist Writer)和编译数据接口(Compiler Database Inerface)等。QuartusII在对设计进行处理时可以进行全编译，也可以单独运行其中的某个功能模块。

QuartusII还包含许多十分有用的参数化的模块库（LPM, Library of

Parameterized Modules），它们是复杂或高级系统构建的重要组成部分。Altera 提供的LPM函数均基于Altera器件的结构做了优化设计，在设计中合理的调用LPM可以提高效率，改善性能。有些LPM宏功能模块的使用必须依赖于一些Altera特定器件的硬件功能，如各类存储器模块、DSP模块、LVDS驱动器模块、PLL及SERDES和DDIO模块等。

QuartusII软件加强了网络功能，它具有最新的Internet技术，设计人员可以直接通过Internet获得Altera的技术支持。

Altera与业界处于领先地位的EDA工具厂商组成ACCESS联盟，确保了Altera EDA工具与这些支持Altera器件的EDA工具之间顺畅接口。QuartusII软件与其他设计工具之间的联系更加紧密，其他工具能够直接调用QuartusII工具进行设计编辑，QuartusII也能调用其他工具进行综合仿真。

Altera致力于提供电路设计人员都非常熟悉的逻辑开发环境。通过EDIF网表文件、SRAM目标文件（.sof）、LPM、Verilog HDL、VHKL及DesignWare）组件来共享信息，MAX+PLUSII和QuartusII软件可与Cadence、Mentor Graphics、OrCAD、Synopsys、Synplicity、Exemplar Logic及Viewlogic等许多公司提供的多种EDA工具接口。

Altera的新一代开发软件QuartusII支持器件种类众多，如APEX20K、Cyclone、APEXII、Excalibur、Mercury以及Stratix等新器件系列。

QuartusII支持多时钟定时分析、LogicLock基于块的设计、SOPC、内嵌SignalTapII逻辑分析仪、功率估计器等高级工具。

QuartusII包含有MAX+PLUSII的GUI，且易于MAX+PLUSII的工程平稳地过渡到QuartusII开发环境。

QuartusII集成开发环境包括：系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑器件设计、综合、布局布线、验证和仿真等内容。QuartusII软件设计流程如下图所示。

图2-5 QuartusII软件设计流程图

设计输入是将设计者所要设计的电路构思以开发软件要求的形式表达出来。QuartusII软件支持模块/原理图输入方式、文本输入方式、Core输入方式和第三方EDA工具输入方式：QuartusII软件同时允许用户在需要对器件编译或编程进行必要条件约束的特定环境下，使用分配编辑器（Assignment Editor）设定初始设计的约束条件。

综合是将VHDL语言、原理图等设计输入依据给定的硬件结构组件和约束控制条件进行编译、优化、转换和综合，生成门级电路或更底层的电路描述网表文件，供布局布线实现。

布局布线也成为适配。利用适配器将逻辑综合生成的网表文件映射到某一具体器件的过程。该过程包括：将设计工程的逻辑和时序要求与器件的可用资源相匹配；将每个逻辑功能分配给最好的逻辑单元位置，进行布局和时序分析；选择相应的互联路径和引脚分配。

QuartusII软件提供了丰富的布局布线工具，其中很有特色的一种是增量布局布线工具。在设计过程中，设计者所做的更改如果仅仅影响少数节点，则可利用该工具避免运行全编译。因为QuartusII的增量布局布线工具将尽量保留以前编译的布局布线结果，并以较快的速度完成新的编译。

在布局布线过程中，设计者还会遇到整体设计工程更改管理的情况。该工程更改管理是指在完成全编译之后，设计者使用芯片编辑器查看设计布局布线详细信息，并确定要更改的资源，从而避免了过多地修改设计源文件或QuartusII设置。

布局布线完成后，生成可用于时序仿真的仿真文件和可用于编程的编程文件。

时序分析允许用户分析设计中所有逻辑的时序性能，并协助引导布局布线满足设计中的时序分析要求。默认情况下，时序分析作为全编译的一部分运行，它观察和报告时序信息。该时序信息包括最大时钟频率、时钟建立时间、时钟保持时间、时钟至输出延时、引脚至引脚延时以及其他时序特性。设计者可以使用时序分析生成的信息分析、调试和验证设计的时序性能。

仿真包括功能仿真和时序仿真。功能仿真又称前仿真，是在不考虑器件延时的理想情况下仿真设计项目，以验证其逻辑功能的正确性。时序仿真又称后仿真，是在考虑具体适配器件的各种延时的情况下仿真设计项目，它是接近真实器件运行特性的仿真。

器件编程与配置指的是QuartusII编译成功后，设计者使用器件编译器将编辑文件下载到实际器件的过程。

另外，QuartusII软件允许用户在设计流程的每个阶段使用QuartusII图形用户界面、EDA工具界面或命令行界面。在整个设计流程中可以使用这些界面中的一个，也可以在不同的设计阶段使用不同的界面。

在线校验是对编辑后的CPLD器件加入实际的激励信号进行测试，检查是否可完成预定功能。

上述任何一步出错，均需要回到设计输入阶段，改正错误，重新按设计流程进行设计。

3系统算法介绍

3.1曼彻斯特编码简介

曼彻斯特编码（Manchester Encoding），也叫做相位编码(PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码被用在以太网媒介系统中。曼彻斯特编码提供一个简单的方式给编码简单的二进制序列而没有长的周期没有转换级别，因而防止时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。在这个技术下，实际上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为一个序列的逻辑1或0来发送的。相反地，这些位被转换为一个稍微不同的格式，它通过使用直接的二进制编码有很多的优点。

3.2曼彻斯特编码的原理

曼彻斯特编码分为标准编码方式与差分曼彻斯特编码方式。其中，曼彻斯特编码的每个比特位在时钟周期内只占一半，当传输“1”时，在时钟周期的前一半为高电平，后一般为低电平；而传输“0”时正相反。这样，每个时钟周期内必有一次跳变，这种跳变就是位同步信号。

曼彻斯特编码的编码规则：

1）在信号位中电平从低到高跳变，表示逻辑0；

2）在信号位中电平从高到低跳变，表示逻辑1。

差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的改进。它在每个时钟位的中间都有一次跳变，传输的是“1”还是“0”，是在每个时钟位的开始有无跳变来区分的。差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码的变化要少，因此跟适合于传输高速的信息，被广泛用于宽带高速网中。然而，由于每个时钟位都必须有一次变化，所以这两种编码的效率仅可达到50％左右。

差分曼彻斯特编码的编码规则：

1）在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑1；

2）在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑0。

两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一次跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。

两种编码方式的示意图如下图：

图3-1 曼彻斯特编码示意图

3.3数字调制技术概述

3.3.1 数字调制简述

基带信号是原始的电信号，一般是指基本的信号波形，在数字通信中则指相应的电脉冲。在无线遥测遥控系统和无线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数（振幅、频率和相位），使这些参数随基带信号变化。用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号。未调制的高频电振荡称为载波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脉冲序列等）。被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波或已调信号。已调信号通过信道传送到接收端，在接收端经解调后恢复成原始基带信号。解调是调制的反变换，是从已调波中提取调制信号的过程。在无线电通信中常采用双重调制。第一步用数字信号或模拟信号去调制第一个载波(称为副载波）。或在多路通信中用调制技术实现多路复用（频分多路复用和时分多路复用）。第二步用已调副载波或多路复用信号再调制一个公共载波，以便进行无线电传输。第二步调制称为二次调制。用基带信号调制高频载波，在无线电传输中可以减小天线尺寸，并便于远距离传输。应用调制技术，还能提高信号的抗干扰能力。

3.3.2 数字调制的分类及特点

数字调制是指用数字数据调制模拟信号，主要有三种形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。

幅度键控（ASK）：即按载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值，例

基于FPGA的数字时钟的设计1

基于FPGA的数字时钟的设计课题: 基于FPGA的数字时钟的设计 学院: 电气信息工程学院 专业: 测量控制与仪器 班级 : 08测控(2)班 姓名 : 潘志东 学号 : 08314239 合作者姓名: 颜志林 2010 年12 月12 日

综述 近年来随着数字技术的迅速发展,各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉与掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法,除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题与故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外,还必须培养大学生工程设计与组织实验能力。 本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用与掌握,使学生在实验原理的指导下,初步具备基本电路的分析与设计能力,并掌握其应用方法;自行拟定实验步骤,检查与排除故障、分析与处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的就是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力,包括选择设计方案,进行电路设计、安装、调试等环节,运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟就是一种计时装置,它具有时、分、秒计时功能与显示时间功能;具有整点报时功能。 本次设计我查阅了大量的文献资料,学到了很多关于数字电路方面的知识,并且更加巩固与掌握了课堂上所学的课本知识,使自己对数字电子技术有了更进一步的认识与了解。

1、课题要求 1、1课程设计的性质与任务 本课程就是电子与信息类专业的专业的专业基础必修课——“数字电路”的配套实验课程。目的在于培养学生的理论联系实际,分析与解决问题的能力。通过本课程设计,使学生在理论设计、计算机仿真、指标调测、故障排除等方面得到进一步的训练,加强学生的实践能力。学生通过设计、仿真、调试、撰写设计报告等过程,培养学生的动手能力与严谨的工作作风。 1、2课程设计的基本技术要求 1)根据课题要求,复习巩固数字电路有关专业基础知识; 2)掌握数字电路的设计方法,特别就是熟悉模块化的设计思想; 3) 掌握QUARTUS-2软件的使用方法; 4) 熟练掌握EDA工具的使用,特别就是原理图输入,波形仿真,能对仿真波形进行分析; 5) 具备EDA技术基础,能够熟练使用VHDL语言进行编程,掌握层次化设计方法; 6) 掌握多功能数字钟的工作原理,学会不同进制计数器及时钟控制电路的设计方法; 7) 能根据设计要求对设计电路进行仿真与测试; 8) 掌握将所设计软件下载到FPGA芯片的下载步骤等等。 9) 将硬件与软件连接起来,调试电路的功能。 1、3课程设计的功能要求 基本功能:能进行正常的时、分、秒计时功能,分别由6个数码管显示24小时,60分钟,60秒钟的计数器显示。 附加功能:1)能利用硬件部分按键实现“校时”“校分”“清零”功能; 2)能利用蜂鸣器做整点报时:当计时到达59’59’’时开始报时, 鸣叫时间1秒钟; 3)定时闹铃:本设计中设置的就是在七点时进行闹钟功能,鸣叫 过程中,能够进行中断闹铃工作。 本人工作:负责软件的编程与波形的仿真分析。 2、方案设计与分析

基于FPGA的数字钟设计

摘要 伴随着集成电路技术的发展, 电子设计自动化(EDA)技术逐渐成为数字电路设计的重要手段。基于FPGA的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，使得EDA技术在电子信息，通信，自动控制，计算机等领域的重要性日益突出。 本设计给出了一种基于FPGA的多功能数字钟方法，采用EDA作为开发工具，VHDL语言和图形输入为硬件描述语言，QuartusII作为运行程序的平台，编写的程序经过调试运行，波形仿真验证，下载到EDA实验箱的FPGA芯片，实现了设计目标。 系统主芯片采用CycloneII系列EP2C35F672C8。采用自顶向下的设计思想，将系统分为五个模块:分频模块、计时模块、报时模块、显示模块、顶层模块。用VHDL语言实现各个功能模块, 图形输入法生成顶层模块. 最后用QuartusII 软件进行功能仿真, 验证数字钟设计的正确性。 测试结果表明本设计实现了一个多功能的数字钟功能，具有时、分、秒计时显示功能，以24小时循环计时；具有校正小时和分钟的功能；以及清零，整点报时功能。 关键词：EDA技术；FPGA；数字钟；VHDL语言；自顶向下

Abstract Accompanied by the development of integrated circuit technology, electro nic design automation (EDA) technology is becoming an important means of digital circuit design. FPGA EDA technology development and expansion of a pplication fields and in-depth, the importance of EDA technology in the field of electronic information, communication, automatic control, computer, etc. hav e become increasingly prominent. This design gives a FPGA-based multifunctional digital clock using ED A as a development tool, VHDL language and graphical input hardware descri ption language, the QuartusII as a platform for running the program, written procedures debugging and running, the waveform simulation downloaded to th e FPGA chip to achieve the design goals. The main system chip CycloneII series EP2C35F672C8. Adopted a topdw n design ideas, the system is divided into five modules: frequency module, ti ming module, timer module, display module, the top-level module. With VHD L various functional modules, graphical input method to generate the top-level module. Last QuartusII under simulation, to verify the correctness of the digi tal clock design. The test results show that the design of a multifunctional digital clock, with seconds time display, 24-hour cycle timing; has a school, cleared, and th e whole point timekeeping functions. Key words: EDA technology; FPGA; VHDL language; top-down; digital cloc k

基于FPGA的多功能数据选择器设计与实现

基于FPGA的多功能数据选择器设计与实现 章军海201022020671 [摘要]传统的数字系统设计采用搭积木式的方法来进行设计，缺乏设计的灵活性。随着可编程逻辑器件(PLD)的出现，传统设计的缺点得以弥补，基于PLD的数字系统设计具有很好的灵活性，便于电路系统的修改与调试。本文采用自顶向下的层次化设计思想，基于FPGA设计了一种多功能数据选择器，实现了逻辑单元可编程、I/O单元可编程和连线可编程功能，并给出了本设计各个层次的原理图和仿真时序图；本文还基于一定的假设，对本设计的速度和资源占用的性能进行了优化。 [关键词]层次化设计;EDA;自顶向下；最大时延 0引言： 在现代数字系统的设计中，EDA(电子设计自动化)技术已经成为一种普遍的工具。基于EDA技术的设计中，通常有两种设计思想，一种是自顶向下的设计思想，一种是自底向上的设计思想[1]。其中，自顶向下的设计采用层次化设计思想，更加符合人们的思维习惯，也容易使设计者对复杂系统进行合理的划分与不断的优化，因此是目前设计思想的主流。基于层次化设计思想，实现逻辑单元、I/O单元和连线可编程可以提高资源的利用效率，并且可以简化数字系统的调试过程，便于复杂数字系统的设计[2][3]。 1系统原理图构架设计 1.1系统整体设计原理 本设计用于实现数据选择器和数据分配器及其复用的I/O端口和连线的可编程却换，提高系统的资源利用效率。系统顶层原理框图如图1所示，系统拥有两个地址选择端口a0、a1，一个功能选择端口ctr，还有五路I/O复用端口。其中，地址选择端口用于决定数据选择器的数据输入端和数据分配器的数据输出端；功能选择端口用于切换数据选择器和数据分配器，以及相应的I/O端口和连线；I/O复用端口数据的输入和输出，其功能表如表一所示。 图1顶层模块原理图 表一顶层系统功能表

fpga数字钟课程设计报告

f p g a数字钟课程设计报告 Prepared on 24 November 2020

课程设计报告 设计题目：基于FPGA的数字钟设计 班级：电子信息工程1301 姓名：王一丁 指导教师：李世平 设计时间：2016年1月 摘要 EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化，是以大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，通过相关的软件，自动完成软件方式设计得电子系统到硬件系统，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。本次课程设计利用Quartus II 为设计软件，VHDL为硬件描述语言，结合所学知识设计一个多功能时钟，具有显示年、月、日、时、分、秒显示，计时，整点报时，设定时间等功能。利用硬件描述语言VHDL 对设计系统的各个子模块进行逻辑描述，采用模块化的思想完成顶层模块的设计，通过软件编译、逻辑化简、逻辑综合优化、逻辑仿真、最终完成本次课程设计的任务。 关键词：EDA VHDL语言数字钟 目录 摘要 1 课程设计目的 2 课程设计内容及要求

设计任务 设计要求 3 VHDL程序设计 方案论证 系统结构框图 设计思路与方法 状态控制模块 时分秒模块 年月日模块 显示模块 扬声器与闹钟模块 RTL整体电路 4 系统仿真与分析 5 课程设计总结，包括.收获、体会和建议 6 参考文献 1 课程设计目的 (1)通过设计数字钟熟练掌握EDA软件(QUARTUS II)的使用方法，熟练进行设计、编译，为以后实际工程问题打下设计基础。 (2)熟悉VHDL 硬件描述语言，提升分析、寻找和排除电子设计中常见故障的能力。 (3)通过课程设计，锻炼书写有理论根据的、实事求是的、文理通顺的课程设计报告。

基于FPGA的脉冲发生器的设计

【基础?应用】 基于FP GA 的脉冲发生器的设计 ① 张　涛 (北方交通大学电子信息工程学院,北京100044)【摘　要】　以脉冲发生器为研究对象,介绍了脉冲发生器的基本原理、硬件构成和实现方法,阐述了一种基于DSP -FP G A 数字系统的PWM 控制脉冲生成方法,并给出了仿真及实测实验结果。 【关键词】　脉宽调制;脉冲发生器;可编程门阵列 1　FP G A 简介 FP G A (Field Programmable G ate Array ,可编程门阵列)是美国Xinlinx 公司推出的一种采用单元型结构的新型PLD 器件。它采用CMOS 、SRAM 工艺制作,在结构上与阵列型PLD 不同,它的内部由许多独立的可编程逻辑单元构成,各逻辑单元之间可以灵活地相互连接,具有密度高、速度快、编程灵活和可重新配置等诸多优点。FP G A 已成为当前主流的PLD 器件之一。 1.1　PLD 的主要特点 (1)缩短研制周期。 (2)降低设计成本。用PLD 来设计和改造电子产品可以大幅度地减少印制板的面积和接插件,降低装配和调试费用。 (3)提高设计灵活性和可靠性。大量分立式元器件在向印制板上装配时,往往会发生由于虚焊或接触率近似于线性增加,且线性斜率较小;肝脏中大小不同的散射源对不同频率的声波存在有不同的散射效应。 由于肝脏组织结构的非均匀性、复杂性及其各部分散射相关长度分布的不一致性,其散射谱随深度增加而衰减变化,并非完全呈线性关系,而呈现较复杂的关系变化。 ⑵肝叶边缘部分及表层区域,其结构散射近似呈瑞利散射特征;肝叶表层以下与肝叶中心之间的中间区域,其结构散射呈随机散射特征;肝叶中心区域,其结构散射呈扩散漫射特征,也有较强的反射。 ⑶利用区域结构散射特征谱,不仅可对各特征区域组织微结构作出粗略估计,而且可通过区域散射谱特征的变化,对生物软组织的生理病理变化的判断提供依据。 综上所述,利用超声散射谱分析,可为B 超的形态学图像信息诊断提供一个组织特征的信息,在临床上是有应用前景的。 参考文献 [1]Luigi Landini et al.IEEE Trans on U FFC.1990,37(5):448-456 [2]陈启敏等.声学学报.1995,Vol.21,No.4:692-699 [3]E.J.Feleppa ,et al.IEEE Annual International Conference ,EMB ,1990;12(1):337 (责任编辑:常　平) 2003年4月第19卷第2期 武警工程学院学报JOURNAL OF EN GG COLL EGE OF ARMED POL ICE FORCE Apr.2003Vol.19No.2 ①收稿日期:2002-12-06作者简介:张涛(1968.07-),1994年毕业于西安交通大学工业电器自动化专业,现在北方交通大学电子信息工程学院电子与信息工程专业攻读硕士学位。

FPGA实训报告——简易数字钟

桂林电子科技大学职业技术学院 课题：FPGA实训 专业：电子信息工程技术 学号： 姓名：

目录 关键词： (1) 引言： (1) 设计要求： (1) EDA技术介绍: (1) Verilog HDL简介： (1) 方案实现： (2) 工作原理： (2) 总结： (3) 结语： (3) 程序设计： (4)

数字钟 关键词：EDA、Verilog HDL、数字钟 引言： 硬件描述语言HDL（Hardware Des-cription Language）是一种用形式化方法来描述数字电路和系统的语言。目前，电子系统向集成化、大规模和高速等方向发展，以硬件描述语言和逻辑综合为基础的自顶向下的电路设计发放在业界得到迅猛发展，HDL在硬件设计领域的地位将与C和C++在软件设计领域的地位一样，在大规模数字系统的设计中它将逐步取代传统的逻辑状态表和逻辑电路图等硬件描述方法，而成为主要的硬件描述工具。 Verilog HDL是工业和学术界的硬件设计者所使用的两种主要的HDL之一，另外一种是VHDL。现在它们都已经成为IEEE标准。两者各有特点，但Verilog HDL拥有更悠久的历史、更广泛的设计群体，资源也远比VHDL丰富，且非常容易学习掌握。 此次以Verilog HDL语言为手段，设计了多功能数字钟，其代码具有良好的可读性和易理解性。 设计要求： 数字钟模块、动态显示模块、调时模块、到点报时模块等；必须有键防抖动功能。可自行设计8位共阴数码管显示；亦可用FPGA实验平台EDK-3SAISE上的4位数管，但必须有秒指导灯。 EDA技术介绍： 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。 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。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。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。 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。 Verilog HDL简介： 硬件描述语言Verilog是Philip R.Moorby于1983年在英格兰阿克顿市的Gateway Design Automation硬件描述语言公司设计出来的，用于从开关级到算法级的多个抽象设

基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计 -

基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计 专业班级姓名学号 一、实验目的 1.掌握可编程逻辑器件的应用开发技术——设计输入、编译、仿真和器件编程； 2.熟悉一种EDA软件使用； 3.掌握Verilog设计方法； 4.掌握分模块分层次的设计方法； 5.用Verilog完成一个多功能数字钟设计; 6.学会FPGA的仿真。 二、实验要求 ?功能要求： 利用实验板设计实现一个能显示时分秒的多功能电子钟，基本功能： 1)准确计时，以数字形式显示时、分、秒，可通过按键选择当前显示时间范围模式； 2)计时时间范围00:00:00－23:59:59 3)可实现校正时间功能； 4)可通过实现时钟复位功能：00:00:00 扩展功能： 5)定时报：时间自定(不要求改变)，闹1分钟(1kHz)---利用板上LED或外接电路实现。 6)仿广播电台正点报时：XX:59:[51,53,55,57(500Hz);59(1kHz)] ---用板上LED或外接 7)报整点时数：XX:00:[00.5-XX.5](1kHz)，自动、手动---用板上LED或外接 8)手动输入校时； 9)手动输入定时闹钟； 10)万年历； 11)其他扩展功能； ?设计步骤与要求： 1)计算并说明采用Basys2实验板时钟50MHz实现系统功能的基本原理。 2)在Xilinx ISE13.1 软件中，利用层次化方法，设计实现模一百计数及显示的电路系 统，设计模块间的连接调用关系，编写并输入所设计的源程序文件。 3)对源程序进行编译及仿真分析（注意合理设置，以便能够在验证逻辑的基础上尽快 得出仿真结果）。 4)输入管脚约束文件，对设计项目进行编译与逻辑综合，生成下载所需.bit文件。 5)在Basys2实验板上下载所生成的.bit文件，观察验证所设计的电路功能。

基于FPGA的模拟IIC接口设计与实现

研究生课程论文 课程名称基于FPGA的模拟IIC接口设计与实现授课学期2012 学年至2013 学年第一学期学院电子工程学院 专业电子与通信工程 学号2012011603 姓名 任课教师 交稿日期2013.01.10 成绩 阅读教师签名 日期 广西师范大学研究生学院制

基于FPGA的模拟I2C接口设计与实现 摘要：本文论述了I2C总线的基本协议，以及基于FPGA 的模拟I2C 总线接口模块的设计,在QuartusII软件中用Verilog HDL语言编写了部分I2C总线接口功能的程序代码，生成原理图模块。并连接好各个模块，进行了时序仿真。最后，下载到FPGA的板运行测试。 关键词：I2C 接口FPGA Verilog 1课题研究意义、现状及应用分析 目前市场上主流的嵌入式设备主要是微处理器、DSP等，但FPGA 以其独有的高抗干扰性、高安全性正在逐步取得开发公司的青睐，在FPGA上开发I2C势在必行。并且利用EDA 工具设计芯片实现系统的功能，已经成为支撑电子设计的通用平台，并逐步向支持系统级的设计方向发展。模块化的设计思想在软件设计过程中越来越被重视。I2C总线是Philips 公司推出的双向两线串行通讯标准，具有接口线少、通讯效率高等特点。因此，基于FPGA的I2C总线设计有着广泛的应用前景。

2课题总体方案设计及功能模块介绍 本设计主要分三大模块，分别是I2C 总线接口模块、按键输入控制模块、数码管显示模块。I2C总线模块集成了I2C协议用于和总线相接EEPROM的通信；按键输入控制模块用于控制I2C模块的页读、页写、字节读、字节写功能；数码管显示模块用于显示通过I2C总线读取EEPROM中的数据。 3I2C接口设计原理 I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10 Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。 3.1总线的构成 I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都

Verilog HDL数字时钟课程设计

课程设计报告 课程设计名称：EDA课程设计课程名称：数字时钟 二级学院：信息工程学院 专业：通信工程 班级：12通信1班 学号：1200304126 姓名：@#$% 成绩： 指导老师：方振汉 年月日

目录 第一部分 EDA技术的仿真 (3) 1奇偶校验器 (3) 1.1奇偶校验器的基本要求 (3) 1.2奇偶校验器的原理 (3) 1.3奇偶校验器的源代码及其仿真波形 (3) 28选1数据选择器 (4) 2.18选1数据选择器的基本要求 (4) 2.28选1数据选择器的原理 (4) 2.38选1数据选择器的源代码及其仿真波形 (5) 34位数值比较器 (6) 3.14位数值比较器的基本要求 (6) 3.24位数值比较器的原理 (6) 3.34位数值比较器的源代码及其仿真波形 (7) 第二部分 EDA技术的综合设计与仿真（数字时钟） (8) 1概述 (8) 2数字时钟的基本要求 (9) 3数字时钟的设计思路 (9) 3.1数字时钟的理论原理 (9) 3.2数字时钟的原理框图 (10) 4模块各功能的设计 (10) 4.1分频模块 (10) 4.2计数模块（分秒/小时） (11) 4.3数码管及显示模块 (13) 5系统仿真设计及波形图........................... 错误！未定义书签。5 5.1芯片引脚图.................................... 错误！未定义书签。5 5.2数字时钟仿真及验证结果 (16) 5.3数字时钟完整主程序 (17) 6课程设计小结 (23) 7心得与体会 (23) 参考文献 (24)

基于FPGA的数字钟设计

南昌大学实验报告 学生姓名：邓儒超学号：6100210045 专业班级：卓越通信101 实验类型：□验证□综合□√设计□创新实验日期：2012.10.28 实验成绩： 实验三数字钟设计 一、实验目的 （1）掌握数字钟的设计 二、实验内容与要求 （1）设计一个数字钟，要求具有调时功能和24/12进制转换功能 （2）进行波形仿真，并分析仿真波形图； （3）下载测试是否正确； 三、设计思路/原理图 本次数字钟的设计采用了自顶向下分模块的设计。底层是实现各功能的模块，各模块由vhdl语言编程实现：顶层采用原理图形式调用。其中底层模块包括秒、分、时三个计数器模块、按键去抖动模块、按键控制模块、时钟分频模块、数码管显示模块，其中，时计数器模块又包括24进制计数模块、12进制计数模块、24/12进制转换模块。设计框图如下： 由图可以清晰的看到数字钟系统设计中各功能模块间连接关系。系统时钟1KHZ经过分频后产生1秒的时钟信号，1秒的时钟信号作为秒计数模块的输入信号，秒计数模块产生的进位信号作为分计数模块的输入信号，分计数模块的进位信号作为时计数模块的输入信号。秒计数模块、分计数模块、时计数模块的计数输出分别送到显示模块。由于设计中要使用按键进行调节时间，而按键的动作过程中存在产生得脉冲的不稳定问题，所以就牵扯到按键去抖动的问题，对此系统中设置了按键去抖动模块，按键去抖动模块产生稳定的脉冲信号送入按键控制模块，按键控制模块根据按键的动作对秒、分、时进行调节。 原理图如下：

四、实验程序（程序来源：参考实验室里的和百度文库的稍加改动，还有自己写的） 1、分频模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY fenpin IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC; CLK1:OUT STD_LOGIC); END fenpin; ARCHITECTURE behav OF fenpin IS SIGNAL X,CNT:STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0); BEGIN P1:PROCESS(CLK) BEGIN X<="001111101000";--1000分频 IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN CNT<=CNT+1; IF CNT=X-1 THEN CLK1<='1';CNT<="000000000000"; ELSE CLK1<='0'; END IF; END IF; END PROCESS; END behav; 2、60进制计数器（秒、分计数器）模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY count60 IS PORT(EN,RST,CLK1: IN STD_LOGIC; Q: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); COUT: OUT STD_LOGIC); END count60;

FPGA课程设计多功能数字钟讲解

多功能数字钟 开课学期：2014—2015 学年第二学期课程名称：FPGA课程设计 学院：信息科学与工程学院 专业：集成电路设计与集成系统班级： 学号： 姓名： 任课教师： 2015 年7 月21 日

说明 一、论文书写要求与说明 1.严格按照模板进行书写。自己可以自行修改标题的题目 2.关于字体： a)题目：三号黑体加粗。 b)正文：小四号宋体，行距为1.25倍。 3.严禁抄袭和雷同，一经发现，成绩即判定为不及格！！！ 二、设计提交说明 1.设计需要提交“电子稿”和“打印稿”； 2.“打印稿”包括封面、说明（即本页内容）、设计内容三部分；订书机左边装订。 3.“电子稿”上交：文件名为“FPGA课程设计报告-班级-学号-姓名.doc”,所有报告发送给班长，由班长统一打包后统一发送到付小倩老师。 4.“打印稿”由班长收齐后交到：12教305办公室； 5.上交截止日期：2015年7月31日17:00之前。

第一章绪论 (3) 关键词：FPGA，数字钟 (3) 第二章FPGA的相关介绍 (4) 2.1 FPGA概述 (4) 2.2 FPGA特点 (4) 2.3 FPGA设计注意 (5) 第三章Quartus II与Verilog HDL相关介绍 (7) 3.1 Quartus II (7) 3.2 Verilog HDL (7) 第四章设计方案 (8) 4.1数字钟的工作原理 (8) 4.2 按键消抖 (8) 4.3时钟复位 (8) 4.4时钟校时 (8) 4.5数码管显示模块。 (8) 第五章方案实现与验证 (9) 5.1产生秒脉冲 (9) 5.2秒个位进位 (9) 5.3按键消抖 (9) 5.4复位按键设置 (10) 5.5 数码管显示。 (10) 5.6 RTL结构总图 (11) 第六章实验总结 (14) 第七章Verilog HDL源代码附录 (15)

基于FPGA的多功能数字钟的设计

基于FPGA的多功能数字钟的设计 摘要数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,是人们日常生活中不可少的必需品。本文介绍了应用FPGA芯片设计多功能数字钟的一种方案，并讨讨论了有关使用FPGA芯片和VHDL语言实现数字钟设计的技术问题。关键词数字钟、分频器、译码器、计数器、校时电路、报时电路。 Design of Abstract Keywords

目录 0.引言 (4) 1.设计要求说明 (4) 1.1设计要求 (4) 1.2完成情况说明 (4) 2.多功能数字钟的基本原理及其在FPGA中的设计与实现 (4) 2.1计时电路 (5) 2.2异步清零电路 (5) 2.3校时、校分功能电路 (5) 2.4报时电路 (6) 2.5分频电路 (7) 2.6闹钟及音乐闹铃电路 (9) 2.7秒表计时电路 (15) 2.8译码显示电路 (15) 2.9逻辑总图 (16) 3.设计感想 (17) 参考文献 (17)

0．引言 数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度远远超过老式钟表。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 1.设计要求说明 1.1设计要求 1）设计一个具有校时、校分、清零，保持和整点报时功能的数字钟。 2）多数字钟采用层次化的方法进行设计，要求设计层次清晰、合理；构成整个设计的功能模块既可采用原理图方法实现，也可采用文本输入法实 现。 3）数字钟的具体设计要求具有如下功能： ①数字钟的最大计时显示23小时59分59秒； ②在数字钟正常工作时可以进行快速校时和校分，即拨动开关K1可对小 时进行校正，拨动开关K2可对分钟进行校正； ③在数字钟正常工作情况下，可以对其进行不断电复位，即拨动开关K3 可以使时、分、秒回零； ④整点报时是要求数字钟在每小时整点来到前进行鸣叫，鸣叫频率是在 59分53秒、55秒、57秒时为500Hz，59分59秒时为1KHz； ⑤哟啊去所有开关具有去抖动功能。 4）对设计电路进行功能仿真。 5）将仿真通过的逻辑电路下载到EDA实验系统，对其进行验证。 1.2完成情况说明： 对于实验要求的基本功能我们设计的电路都能准确实现。另外，我们还附加了显示星期、秒表、闹钟时间来时播放音乐等功能。 2.多功能数字钟的基本原理及其在FPGA中的设计与实现 通过分析多功能数字钟的设计要求和所要实现的功能，应用层次化方法设计出数字钟应由计时模块、分频脉冲模块、译码显示模块、校时校分和清零模块、报时模块等几个模块组成，其原理框图如下图1所示：

基于fpga的eeprom设计

二线制I2C CMOS 串行EEPROM 的FPGA设计 姓名：钱大成 学号：080230114 院系：物理院电子系 2011年1月1日

一、课程设计摘要： （1）背景知识： A、基本介绍： 二线制I2C CMOS 串行EEPROM AT24C02/4/8/16 是一种采用CMOS 工艺制成的串行可用电擦除可编程只读存储器。 B、I2C （Inter Integrated Circuit）总线特征介绍： I2C 双向二线制串行总线协议定义如下： 只有在总线处于“非忙”状态时，数据传输才能被初始化。在数据传输期间，只要时钟线为高电平，数据线都必须保持稳定，否则数据线上的任何变化都被当作“启动”或“停止”信号。图1 是被定义的总线状态。· ①总线非忙状态（A 段） 数据线SDA 和时钟线 SCL 都保持高电平。 ②启动数据传输（B 段） 当时钟线（SCL）为高电平状态时，数据线（SDA）由高电平变为低电平的下降沿被认为是“启动”信号。只有出现“启动”信号后，其它的命令才有效。

③停止数据传输（C 段） 当时钟线（SCL）为高电平状态时，数据线（SDA）由低电平变为高电平的上升沿被认为是“停止”信号。随着“停在”信号出现，所有的外部操作都结束。 ④数据有效（D 段） 在出现“启动”信号以后，在时钟线（SCL）为高电平状态时数据线是稳定的，这时数据线的状态就要传送的数据。数据线（SDA）上的数据的改变必须在时钟线为低电平期间完成，每位数据占用一个时钟脉冲。每个数传输都是由“启动”信号开始，结束于“停止”信号。 ⑤应答信号 每个正在接收数据的EEPROM 在接到一个字节的数据后，通常需要发出一个应答信号。而每个正在发送数据的EEPROM 在发出一个字节的数据后，通常需要接收一个应答信号。EEPROM 读写控制器必须产生一个与这个应答位相联系的额外的时钟脉冲。在EEPROM 的读操作中，EEPROM 读写控制器对EEPROM 完成的最后一个字节不产生应答位，但是应该给EEPROM 一个结束信号。 C、3. 二线制I2C CMOS 串行EEPROM读写操作 ① EEPROM 的写操作（字节编程方式） 所谓EEPROM 的写操作（字节编程方式）就是通过读写控制器把一个字节数据发送到EEPROM 中指定地址的存储单元。其过程如下：EEPROM 读写控制器发出“启动”信号后，紧跟着送4 位I2C 总线器件特征编码1010 和3 位EEPROM 芯片地址/页地址XXX 以及写状态的R/W 位(=0)，到总线上。这一字节表示在接收到被寻址的EEPROM 产生的一个应答位后，读写控制器将跟着发

fpga数字钟课程设计报告

课程设计报告 设计题目：基于FPGA的数字钟设计 班级：电子信息工程1301 学号：20133638 姓名：王一丁 指导教师：李世平 设计时间：2016年1月

摘要 EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化，是以大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，通过相关的软件，自动完成软件方式设计得电子系统到硬件系统，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。本次课程设计利用Quartus II 为设计软件，VHDL为硬件描述语言，结合所学知识设计一个多功能时钟，具有显示年、月、日、时、分、秒显示，计时，整点报时，设定时间等功能。利用硬件描述语言VHDL 对设计系统的各个子模块进行逻辑描述，采用模块化的思想完成顶层模块的设计，通过软件编译、逻辑化简、逻辑综合优化、逻辑仿真、最终完成本次课程设计的任务。 关键词：EDA VHDL语言数字钟

目录 摘要 1 课程设计目的 2 课程设计内容及要求 2.1 设计任务 2.2 设计要求 3 VHDL程序设计 3.1方案论证 3.2 系统结构框图 3.3设计思路与方法 3.3.1 状态控制模块 3.3.2 时分秒模块 3.3.3 年月日模块 3.3.4 显示模块 3.3.5脉冲产生模块 3.3.6 扬声器与闹钟模块 3.4 RTL整体电路 4 系统仿真与分析 5 课程设计总结，包括.收获、体会和建议 6 参考文献

1 课程设计目的 (1)通过设计数字钟熟练掌握EDA软件(QUARTUS II)的使用方法，熟练进行设计、编译，为以后实际工程问题打下设计基础。 (2)熟悉VHDL 硬件描述语言，提升分析、寻找和排除电子设计中常见故障的能力。 (3)通过课程设计，锻炼书写有理论根据的、实事求是的、文理通顺的课程设计报告。 2 课程设计内容及要求 2.1 设计任务 (1)6个数字显示器显示时分秒，setpin按键产生一个脉冲，显示切换为年月日。 (2)第二个脉冲可预置年份，第三个脉冲可以预置月份，依次第四、 五、六、七个脉冲到来时分别可以预置时期、时、分、秒，第八个脉冲到来后预置结束正常从左显示时分秒。 (3)up为高时，upclk有脉冲到达时，预置位加一，否则减一。 2.2 设计要求 (1)在基本功能的基础上，闹钟在整点进行报时，产生一定时长的高电平。 (2)实现闹钟功能,可对闹钟时间进行预置，当达到预置时间时进行报时。

基于FPGA的数字时钟

xxxx大学 电子设计自动化技术与应用 设计报告 设计题目：基于FPGA的数字时钟 学院：通信学院 姓名： 学号：

目录 一、设计任务 (3) 二、总体设计方案 (3) 1、设计思想 (3) 2、总体设计框图 (3) 三、单元电路设计 (4) 1、秒计数器模块设计与实现 (4) 2、分计数器模块设计与实现 (5) 3、时计数器模块设计与实现 (6) 4、2选1选择器模块设计与实现 (7) 5、译码器模块的设计与实现 (8) 6、3-8线译码器模块设计与实现 (9) 7、分频器的设计与实现 (9) 8、顶层原理设计图 (10) 四、硬件测试与结果分析 (11) 1、硬件测试： (11) 2、测试过程及结果分析 (12) 五、收获与体会 (12)

一、设计任务 1、能进行正常的时、分、秒计时功能，由LED数码管显示时间，最大计时 为23：59：59。 2、小时显示采用24进制，分显示和秒显示都采用60进制。 3、具有调时和调分功能。 二、总体设计方案 1、设计思想 本设计是基于Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C16Q240C8芯片设计的，采用层次化设计方式，先设计数字时钟的底层器件：秒计数器、分计数器、时计数器、2选1选择器、译码器、分频器。顶层采用原理图设计方式，将所设计的底层器件连接起来构成一个具有计时和调时功能的数字时钟。 2、总体设计框图 完整的数字时钟设计硬件框图如图所示。

三、单元电路设计 1、秒计数器模块设计与实现 1.1秒计数器流程图如下： 1.2秒计数器生成模块如图1所示: 图1 其中，clk 是时钟信号，daout 是60计数输出，enmin 是向分进位的高电平。 1.3 波形仿真图

基于FPGA芯片的最小系统设计

黑龙江大学本科生 毕业论文（设计）档案编码： 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程 年级：2007 学生姓名：王国凯 毕业论文题目：基于FPGA 的电梯自动控制 系统设计

摘要 本文在介绍了在当前国内外信息技术高速发展的今天，电子系统数字化已成为有目共睹的趋势。从传统的应用中小规模芯片构成电路系统到广泛地应用单片机，直至今天FPGA 在系统设计中的应用，电子设计技术已迈人了一个全新的阶段。FPGA 利用它的现场可编程特性，将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，缩小体积，缩短系统研制周期，方便系统升级，具有容量大、逻辑功能强，提高系统的稳定性，而且兼有高速、高可靠性。越来越多的电子设计人员使用芯片进行电子系统的设计,通过基于FPGA 电梯系统开发设计，说明了FAPG 芯片研究的动机和研究意义。 关键词 FPGA；电梯系统；FLEX10K；JTAG；模块设计

Ab s t ract This paper introduces the rapid development of information technology around the world today. Digitalized electronic systems have become the trend. From the traditional application of small and medium-chip circuitry to Microcontroller and FPGA application in system design, electronic design technology is stepping into a new field. By using its field programmable features, FPGA changes the original circuit board-level products to the chip-level integration products. Now FPGA has advantages of reduced the size, shorten development cycle, facilitated in system upgrades, highly capacity, strong logic functions, stable system and high speed. More and more electronic designers use FPGA to design electronic systems. This paper shows the motivation and significance of designing by FPGA through the elevator FPGA system design. Ke ywo r d FPGA; Mini-System; FLEX10K; JTAG；Module design

基于FPGA的数字时钟的设计1

基于FPGA 的数字时钟的设计 课 题： 基于FPGA 的数字时钟的设计 学 院： 电气信息工程学院 专 业 ： 测量控制与仪器 班 级 ： 08测控（2）班 姓 名 ： 潘 志 东 学 号 ： 08314239 合作者姓名： 颜志林 2010 年 12 月 12 日

综述 近年来随着数字技术的迅速发展，各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉和掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法，除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题和故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外，还必须培养大学生工程设计和组织实验能力。 本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用和掌握，使学生在实验原理的指导下，初步具备基本电路的分析和设计能力，并掌握其应用方法；自行拟定实验步骤，检查和排除故障、分析和处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力，包括选择设计方案，进行电路设计、安装、调试等环节，运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟是一种计时装置，它具有时、分、秒计时功能和显示时间功能；具有整点报时功能。 本次设计我查阅了大量的文献资料，学到了很多关于数字电路方面的知识，并且更加巩固和掌握了课堂上所学的课本知识，使自己对数字电子技术有了更进一步的认识和了解。

1、课题要求 1.1课程设计的性质与任务 本课程是电子与信息类专业的专业的专业基础必修课——“数字电路”的配套实验课程。目的在于培养学生的理论联系实际，分析和解决问题的能力。通过本课程设计，使学生在理论设计、计算机仿真、指标调测、故障排除等方面得到进一步的训练，加强学生的实践能力。学生通过设计、仿真、调试、撰写设计报告等过程，培养学生的动手能力和严谨的工作作风。 1.2课程设计的基本技术要求 1）根据课题要求，复习巩固数字电路有关专业基础知识； 2）掌握数字电路的设计方法，特别是熟悉模块化的设计思想； 3) 掌握QUARTUS-2软件的使用方法; 4) 熟练掌握EDA工具的使用，特别是原理图输入，波形仿真，能对仿真波形进行分析； 5) 具备EDA技术基础，能够熟练使用VHDL语言进行编程，掌握层次化设计方法; 6) 掌握多功能数字钟的工作原理，学会不同进制计数器及时钟控制电路的设计方法; 7) 能根据设计要求对设计电路进行仿真和测试; 8) 掌握将所设计软件下载到FPGA芯片的下载步骤等等。 9) 将硬件与软件连接起来，调试电路的功能。 1.3课程设计的功能要求 基本功能：能进行正常的时、分、秒计时功能，分别由6个数码管显示24小时，60分钟，60秒钟的计数器显示。 附加功能：1）能利用硬件部分按键实现“校时”“校分”“清零”功能； 2）能利用蜂鸣器做整点报时：当计时到达59’59’’时开始报时，鸣叫时间1秒钟； 3）定时闹铃：本设计中设置的是在七点时进行闹钟功能，鸣叫过程中，能够进行中断闹铃工作。 本人工作：负责软件的编程与波形的仿真分析。 2、方案设计与分析