实验四 数字秒表设计
1本部分实验内容为新内容，操作步骤较多，为保证实 验项目进行完毕，请同学们务必提前做好预习准备 通过本次实验，引导学生以硬件描述语言的手段 设计数字逻辑电路； 掌握在QuartusII软件下VHDL语言输入的设计流程 ； 理解数字秒表的工作原理，学会在QuartusII下通 过VHDL语言描述数字秒表的设计方法； 掌握可编程逻辑器件（PLD）的基本开发流程。2一、实验目的二、实验设备n计算机，可编程逻辑器件实验板 可编程逻辑器件（Programmable Logic Devices），发展于 20世纪70年代，属半定制集成电路； 使用PLD器件，借助EDA设计方法，可以方便、快速地构建 数字系统； 任何组合逻辑电路都可以用“与门-或门”二级电路实现； 任何时序逻辑电路都可以由组合逻辑电路加上存储元件（触 发器、锁存器构成）； 人们由此提出乘积项可编程电路结构，原理结构如下：3三、PLD器件简述 可编程逻辑器件选用Altera公司新一代FPGA器件：CycloneII 系列的EP2C 35F484C8； 开发板通过USB Blaster将PC机USB接口与核心板JTAG接口相 连，下载目标文件。4实验设备-FPGA开发板简介5电源指示灯电源开关独立按键，按下为低电 平，弹起为高电平LED指示部分FPGA开发板结构简介JTAG下载接口共阴数码管显示部分 要求：用VHDL语言设计数字秒表； 计时单位：1秒；(即每秒计时1次) 计时范围：09秒； 显示方式：使用FPGA开发板上的数码管进行显示； 用逻辑电路控制任意数码管，在脉冲信号CP的作用下 ，显示计秒数值；6四、数字秒表的要求 CP由实验板上的50MHz有源晶振产生；从PLD器件的专用时钟 引脚L1输入到器件内部（在QuartusII下进行引脚锁定）， 为计数器提供时钟信号； 由于实验板上所带的连续脉冲CP的频率为50MHz；因此，需 要为秒表的计数器设计分频器，将50MHz的连续脉冲分频， 得到秒脉冲； 再由秒脉冲作为秒表计数器的计数时钟。 本质上就是用VHDL语言描述模值为50，000，000的计数器。71、分频器设计（用VHDL语言描述）四、实验任务 0-9秒表实际上就是一个10进制计数器。 方法1： 采用VHDL分别描述10进制计数器，当计数值为9时，若再来 一个时钟脉冲，计数器回到初值0重新计数82、计数器设计（用VHDL语言描述） 计数器产生的BCD数，若要采用数码管显示，还需要设计4 -7线译码器。 实验板上带有2个4联共阴数码管,共8位,其公共端低电平 有效,通过一片74LS138进行位选控制.93、4-7线译码器设计（用VHDL语言描述） （1）可采用多进程描述的方法，分频器为一个进 程，计数器写入另一个进程。将分频器进程中的 秒脉冲输出定义为signal，作为计数器进程的敏 感信号，驱动计数器进行计数； （2）可采用原理图符号化连接的方法，将分频器 和计数器所生成的元件符号在原理图中进行连接 ，完成顶层次设计。104、各模块的接口50MHz1Hz此处的秒表计数器就是10进制计数器秒脉冲分频器的VHDL描述秒表计数器及线译码器的VHDL描述 1. 通过QuartusII建立一个新项目； 2. 建立项目时选CycloneII系列（family）的目标器件 （devices）EP2C35F484C8 3. 新建VHDL设计文件，编写VHDL程序，设计分频器 、计数器及译码器，并编译通过； 4. 对设计进行引脚锁定，再次编译； 5.连接实验板下载线，将编译所生成的*.sof目标文件 下载到FPGA芯片中； 6. 观察运行结果，如不正确，检查设计，调整后重新 编译后再次下载后观察，直至结果正确。14五、实验步骤 建立工程； 根据前面的示例编写程序； 确认无错后执行全程编译； 建立波形仿真文件，进行时序仿真，观察仿真结果15、建立工程并编写程序 引脚锁定以实际的实验系统选用的芯片为准 引脚锁定方法： 在菜单下依次选择Assignments/Pin 双击编辑窗口对应引脚的Location，根据端口名选择引脚号2、引脚锁定Led（左起 ）DPGFEDCBAPLD 引脚Pin _G6Pin H3pin9 H5Pin J4pin H4pin J7Pin J5Pin N316现在将秒表的8个译码输出端所需引脚锁定到实验板对应 的数码管段码端上。1、 2*4联共阴数码管的8个公共发光段与FPGA器件引脚的连接2、数字秒表的脉冲CP通过核心板板上的50MHz连续脉冲分 频得到，锁定到Pin_L1。3、2*4联数码管位选端低电平有效，通过74HC138选择其锁定关系为（此处可以不锁定，默认最低位点亮）SEL2：Pin_F4; SEL1：Pin_F3; SEL0：Pin_M5;17双击“Location”下方的表格框，弹出指定 器件的引脚列表，选择用户自定义的引脚 。这么多， 选哪个呢？183、再次执行全程编译（必要步骤）19下载器第一次连接到PC机，会弹出硬件安装向导，按下 述操作完成下载器安装 启动下载：单击ToolsProgrammer,即启动下载界面 在下载界面选择单击Hardware Setup按钮选择下载器，在弹 出菜单中双击选择USB-Blaster ，再单击close。205、下载 编程下载：在配置文件（*.sof或*.pof）信息窗口处（屏幕右下大 半区域），勾选program/configure, 然后单击start按钮，即开始配置/编程；2122正在下载程序¨当下载窗口右上角progress显示出100%，表示下载成功；¨观察LED的显示效果是否达到设计要求。 若编程器自身有故障或者未正确连接，则不能编程/配置，底部的 信息栏会有红色字体的信息提示，这时需要检查编程器的连接。 解决方法：将下载线与PC机USB连接线断开，插入，重试下载。236、故障处理 若将示例程序中的程序下载到实验板上观察运行结果 ，所看到的将是“”字形的字段，请思考一下这是为什么？ 仔细分析程序中分频器描述的部分，对程序进行修改，重新编 译后再次下载，观察是否已正常看到计秒现象 修改程序，实现90到计时显示，并下载到实验板上运行，观 察结果是否符合要求。24、结果分析及提高要求
