硬件描述语言课程设计指导书

南通大学电子信息学院 

2012 年 6 月

答案已上传

网址http://wenku.baidu.com/album/view/1338dc3a580216fc700afdbf

一、课程设计目的、要求

1.通过本次课程设计，增强工程实践能力和创新能力，提高数字系统设计水平。

2.完成课程设计，包括设计仿真与验证。

本课题总共29道题，每个班级中每个题目限一名同学选择。首先，根据所选课题和Altera DE2开发板资源进行方案设计。然后运用EDA软件对方案进行程序设计、仿真分析。

3.撰写总结报告。

     报告内容包括以下内容：

1）概述

2）功能

   给出系统的设计功能以及性能参数。

3）设计方案

   说明本设计的技术方案、工作原理，给出设计框图、软件流程图、状态转换图等。 

4）设计与仿真

   给出每个模块以及顶层模块的设计框图、状态转换图、软件流程图或VerilogHDL源程序等，并作一定的说明。给出仿真结果，并对系统功能、性能、资源消耗情况作出分析。

5）硬件验证

   将设计文件下载到DE2开发板进行硬件验证，完成检测和调试，对结果进行说明或分析。

6）结束语

7）参考文献

8）附录

将各种篇幅较大的图纸、数据表格、源程序等材料附于技术报告后。

三、设计课题

1、简易函数发生器1

基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、正弦波信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。正弦波信号幅度可调。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

2、简易函数发生器2

基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、三角波信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。三角波信号频率、幅度可调。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

3、简易函数发生器3

基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、锯齿波信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。锯齿波信号频率、幅度可调。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

4、简易函数发生器4

基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、梯形信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。梯形波信号频率、幅度可调。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

5、简易函数发生器5

基本要求：运用DE2上的DAC实现方波、阶梯信号发生器功能。方波频率、占空比可设置。阶梯波信号频率、幅度可调。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

6、串行通信发送接口

功能：通过DE2的拨码开关来选择要发送的数据，当DE2上的某一个按键被按下的时候，数据会通过RS232串口发送到PC。

基本要求：掌握串口通信协议，完成串口数据的发送功能

硬件验证要求：在PC机通过“串行通信接口调试助手”软件接收由DE2发送过来的数据。

在完成基本要求的基础上，可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。

7、串行通信接收接口（LED）

基本要求：掌握RS232串口的协议，运用DE2的串口进行接收PC的数据。波特率为9600,8位数据位，无奇偶校验，一个停止位。

   硬件验证要求：在PC机通过“串行通信调试助手”软件

发送数据，DE2通过串口接收数据，完成接收数据后在LED上面进行显示。

在完成基本要求的基础上，可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。

8、串行通信接收接口（数码管）

基本要求：掌握RS232串口的协议，运用DE2的串口进行接收PC的数据。波特率为9600,8位数据位，无奇偶校验，一个停止位。

   硬件验证要求：在PC机通过“串行通信调试助手”软件

发送数据，DE2通过串口接收数据，完成接收数据后在数码管上面进行显示。

在完成基本要求的基础上，可以通过拨码开关来选择奇偶校验的类别。

9、数字时钟设计

基本要求：能够正确显示时、分、秒，并有校时、半点报时和整点报时功能。要求能在数码管上面正确显示。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加闹铃功能。

10、秒表设计

基本要求：最大为1小时，精度要求为0.01秒，具有开始、暂停和清零功能，要求能在数码管上面正确显示。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

11、定时器设计

基本要求：最大为1小时，精度要求为0.01秒，当倒计时间为0的时候能够报警，要求能在数码管上面正确显示。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

12、交通灯设计

基本要求：

1）设计一个交通红绿灯。要求分主干道和支干道，每条道上安装红（主：R,支：r）绿（主：G，支：g）黄（主：Y，支：y）三种颜色灯，由四种状态自动循环构成;

 2）在交通灯处在不同的状态时，设计一个计时器以倒计时方式显示计时，主干道上绿灯亮30S，支干道上绿灯亮20S。每个干道上，在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5S。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如绿灯亮的时间可调。

13、密码锁设计

基本要求：设计一个电子密码锁。

操作方式：在锁开的状态下输入密码，设置的密码共4位，用拨码开关SW1～SW10分别代表数字1，2，…，9，0，输入的密码用数码管显示，最后输入的密码显示在最右边的数码管上，即每输入一位数，密码在数码管上的显示左移一位。可删除输入的数字，删除的是最后输入的数字，每删除一位，密码在数码管上的显示右移一位，并在左边空出的位上灭掉。用一位输出电平的状态代表锁的开闭状态。也可自行规定操作方式。

为保证密码锁主人能打开密码锁，设置一个万能密码，在主人忘记密码时使用。

14、数字温度传感器的控制设计

基本要求：掌握SHT-11传感器的工作原理，实现FPGA对SHT-11芯片的控制，要求能够将读进来的温度数值在数码管上面显示。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加湿度控制和显示功能。

15、频率计设计

主要内容：

设计一个数字显示的频率计

主要任务：

1）频率计采用三位数码管显示。

2）频率测量围为1Hz~999Hz，并有溢出指示。

3）频率计设有1~999Hz和1~10kHz两个量程，并用LED指示。

4）频率计能够根据测试信号的频率进行量程自动切换。当频率小于1kHz时，系统选择1s的闸门时间，当频率大于等于1kHz时，在下一次测量时，选择0.1s的闸门时间。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

16、BCD码计数器的设计

基本要求：设计一个4位BCD码，具有置数和复位功能，并可以根据外部的拨码开关来选择加1计数还是减1计数，要求能在数码管上面正确显示。

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

17、超声波测距设计

基本要求：给定超声波发射接收模块，通过DE2产生频率为40KHZ的超声波脉冲信号(脉宽为250-500us)送至超声波发射模块。将超声波接收模块数出的回波脉冲信号送至DE2，经处理后在3位数码管上面显示距离（单位为cm）。

18、数码管亮度控制器的设计

基本要求：设计一个数码管亮度控制器，能够根据外部的拨码开关来控制数码管的亮暗程度。 

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如可以在LCD上面显示亮暗的程度。

19、跑马灯控制器的设计

基本要求：设计一个跑马灯控制器，能够根据外部的拨码开关来控制速度。 

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能。

20、直流电机调速控制器的设计

基本要求：设计一个直流电机调速控制器，能够根据外部的拨码开关来控制直流电机的速度。 

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如可以将速度显示在数码管上面。

21、进制转换电路设计

基本要求：对输入的4位二进制数据，能够根据外部的拨码开关来选择10进制转换、8进制转换还是16进制转换。 

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加输入的位数。

22、可控分频器的设计

基本要求：对DE2上的时钟信号进行多种分频，分频系数由外部按键来选择，分频后的结果要在数码管上面正确显示。 

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加移相功能。

23、8位的ALU设计

基本要求：设计一个挂在总线上的8位ALU，具有加、减、与、或等功能，要求对运算后的数据能在数码管上面正确显示。 

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如增加乘法功能。

24、序列检测器设计

基本要求：设计一个序列检测器，当输入完数据01011010的时候，DE2开发板的LED灯将会点亮，其他的情况都是灭掉。 

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如尝试改变序列检测器的设计方法。

25、抢答器

    基本要求：设计一个四组抢答器，使用DE2上的拨码开关 ，开始抢答后，先抢答到的组通过数码管显示组名，如果提前抢答具有报警的功能。 

在完成基本要求的基础上，可进一步增加功能、提高性能，如对抢答器实现加减分的功能。

26、微型打印机接口设计1

    基本要求：微型打印机拥有一个RS232输入接口。通过DE2驱动打印机，使其能够通过拨码开关输入ASCII码，使打印机打印相应的字符。 

27、微型打印机接口设计2

    基本要求：微型打印机拥有一个RS232输入接口。通过DE2驱动打印机，使其能够输出一行预先设置的中文字符。 

28、微型打印机接口设计3

    基本要求：微型打印机拥有一个RS232输入接口。通过DE2驱动打印机，使其能够输出一行预先设置的英文字符。 

29、简易电子琴设计

    基本要求：设计一个有18个按键的电子琴。 

四、设计示例

【实验例程1】

实验说明：按照拨码开关点亮DE2上面的两个数码管，代码见附件。

1建立工程并完成硬件的描述设计

打开quartus7.2的工作环境,如下所示：

2.新建工程，点击File->New project Wizard 新建一个工程文件。

  接着弹出如下界面，接着点击NEXT

       3.输入工程工作路径、工程文件名以及顶层实体名字。

   4.点击NEXT之后弹出如下界面，这里是提示添加已经写好的程序。

5.选择所用到的器件。

6.设置EDA相应的工具，quartus一集成开发环境，为此我们可以跳过这一设置，如果使用第三方的综合工具和仿真工具，可以在此设置，当然还需要指明第三方工具的路径。

7.点击NEXT之后查看整个设置工程的总结。

  点击FINISH完成新建工程。

8.新建.V文件

  点击菜单选项File->New,选择Verilog HDL File,点击OK，建立Verilog 源代码文件。

9.输入源代码

module SW_SEG(SW,HEX1,HEX0);

  input [7:0]SW;

  output reg[6:0]HEX1,HEX0;

  parameter    seg0    = 7'b1000000,

            seg1    = 7'b1111001,

            seg2    = 7'b0100100,

            seg3    = 7'b0110000,

            seg4    = 7'b0011001,

            seg5    = 7'b0010010,

            seg6    = 7'b0000010,

            seg7    = 7'b1111000,

            seg8    = 7'b0000000,

            seg9    = 7'b0010000,

            sega    = 7'b0001000,

            segb    = 7'b0000011,

            segc    = 7'b1000110,

            segd    = 7'b0100001,

            sege    = 7'b0000110,

            segf    = 7'b0001110;

  always @(*)

  case(SW[3:0])

    4'h0: HEX0[6:0] = seg0;

    4'h1: HEX0[6:0] = seg1;

    4'h2: HEX0[6:0] = seg2;

    4'h3: HEX0[6:0] = seg3;

    4'h4: HEX0[6:0] = seg4;

    4'h5: HEX0[6:0] = seg5;

    4'h6: HEX0[6:0] = seg6;

    4'h7: HEX0[6:0] = seg7;

    4'h8: HEX0[6:0] = seg8;

    4'h9: HEX0[6:0] = seg9;

    4'ha: HEX0[6:0] = sega;

    4'hb: HEX0[6:0] = segb;

    4'hc: HEX0[6:0] = segc;

    4'hd: HEX0[6:0] = segd;

    4'he: HEX0[6:0] = sege;

    4'hf: HEX0[6:0] = segf;

    default:HEX0[6:0] = seg0;

  endcase

  always @(*)

  case(SW[7:4])

    4'h0: HEX1[6:0] = seg0;

    4'h1: HEX1[6:0] = seg1;

    4'h2: HEX1[6:0] = seg2;

    4'h3: HEX1[6:0] = seg3;

    4'h4: HEX1[6:0] = seg4;

    4'h5: HEX1[6:0] = seg5;

    4'h6: HEX1[6:0] = seg6;

    4'h7: HEX1[6:0] = seg7;

    4'h8: HEX1[6:0] = seg8;

    4'h9: HEX1[6:0] = seg9;

    4'ha: HEX1[6:0] = sega;

    4'hb: HEX1[6:0] = segb;

    4'hc: HEX1[6:0] = segc;

    4'hd: HEX1[6:0] = segd;

    4'he: HEX1[6:0] = sege;

    4'hf: HEX1[6:0] = segf;

    default:HEX1[6:0] = seg0;

  endcase 

endmodule

10保存设计，文件的名字一定要与当前待保存的模块名字一致。

11.点击按钮Start Compilation.

  如果有错误需要修改后重新这一过程。

12.建立波形仿真文件

   点击菜单选项File->New->Others File,选择Vector Waveform File,点击OK，

13.波形仿真

   在空波形文件中点击右键，或者直接双击。

点击Node Finder

选择PINS:ALL然后点击list

添加需要的节点

点击OK完成

选择16进制显示方式，点击OK完成

添加测试信号的驱动

SW置入数据

保存波形文件

点击波形仿真按钮

分析结果当输入的数据位00的时候两个数码管都是40，也就是显示的数据都是00。

14下载

 仿真完成后，确认功能正确后，即可进行引脚分配，根据提供的用户手册，进行引脚分配。

输入对应的引脚

点击保存，然后重新编译。

如果编译没有错误，准备下载。

    由Tools -> Progammer

硬件设置:Currently selected hardware:usb 

设置Mode为“JTAG”，点击“Start”，开始下载

观察DE2开发板，进行验证

【实验例程2】

基本要求：通过DE2开发板上面的RS232串口资源，完成DE2与PC的串口通信。设定波特率为57600,无校验,数据位8位,停止位1位。VerilogHDL源代码见附件，在PC上运行”串口调试助手”可由网上下载。

五、FPGA实验开发系统DE2

                      DE2板是以CycloneII2c35FPGA为特点的672针引脚的包装。板上所有重要的部件都与板上的芯片相连，使用户能够控制板上的各种操作。DE2板包括了很多的开关（兼有拨动开关和按键），发光二极管和七段数码管。在更多进一步的试验中还用到了SRAM、SDRAM、FLASH以及16x2的字符液晶。需要进行处理器和I/O接口实验时。可以简单的使用Altera NiosII处理器和像RS-232和PS/2标准接口。进行设计音频和视频的实验时，也有标准MIC、line-in、line-out接口（24位音频解编码器），video-in（TV Decoder）和VGA(10bit DAC) ，这些特点能够被用来制作CD质量的音频应用程序和专业的视频图像。为了能够设计更强大的项目，DE2还提供了USB2.0接口（包括主、从USB），10/100M自适应以太网，红外（IRDA）接口，以及SD卡接口。最后，可以通过两排扩展I/O口与其他用户自定义的板子相连。

下载DE2开发板光盘资源：

                     输入网址如下：ftp://222.192.58.234         用户名和密码：student