简易电压表设计实验报告.doc

数字电路与逻辑设计实验 实验报告课题名称：简易数字电压表的设计学院：信息与通信工程学院班级：姓名：学号：班内序号： 一. 设计课题的任务要求设计并实现一个简易数字电压表，要求使用实验板上的串行 AD 芯片 ADS7816。1. 基本要求：（1） 测量对象：12 节干电池。 （2） AD 参考电压：2.5V。 （3） 用三位数码管显示测量结果，保留两位小数。 （4） 被测信号超过测量范围有溢出显示并有声音提示。 （5） 按键控制测量和复位。2. 提高要求： （1） 能够连续测量。（2）自拟其他功能。二. 系统设计（包括设计思路、总体框图、分块设计）1. 设计思路本次实验利用ADS7816作为电压采样端口，FPGA作为系统的核心器件，用LED数码管进行已测电压值的显示，先把读取的12位串行二进制数据转换成并行的12位二进制数据，然后再把并行的12位二进制数据转换成便利于输出的3位十进制BCD码送给数码管，以显示当前测量电压值。这些工作由ADS7816转换控制模块、数据转换控制模块、译码显示模块完成。2. 总体框图3. 分块设计3.1 ADS7816转换控制模块 （1）ADS7816工作原理 在ADS7816的工作时序中,串行时钟DCLK用于同步数据转换,每位转换后的数据在DCLK的下降沿开始传送。因此,从Dout引脚接收数据时,可在DCLK的下降沿期间进行,也可以在DCLK的上升沿期间进行。通常情况下，采用在DCLK的上升沿接收转换后的各位数据流。CS的下降沿用于启动转换和数据变换，CS有效后的最初1至2个转换周期内，ADS7816采样输入信号，此时输出引脚Dout呈三态。DCLK的第2个下降沿后,Dout使能并输出一个时钟周期的低电平的无效信号。在第4个时钟的上升沿，Dout开始输出转换结果，其输出数据的格式是最高有效位(B11位)在前。当最低有效位(B0位)输出后,若CS变为高电位,则一次转换结束,Dout显三态。（2）元件设计：en：A/D转换启动键，输入。输入高电平时开始转换。 clk：时钟输入。ad_dat：ADS7816转换结束后的12位串行二进制数据输入端。cs：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。data_out11.0：12位并行二进制数据输出端。3.2 数据转换控制模块（1）元件设计en：开始测量键，输入。按键按下为高电平。 reset：复位键，输入。按键按下为高电平。clk：时钟输入。datain11.0：12位并行二进制数据输入端。beef：蜂鸣器，高电平有效。 d23.0：低四位十进制BCD码输出端 d33.0：中四位十进制BCD码输出端 d43.0：高四位十进制BCD码输出端（2）状态说明 reset,en两个按键有四个状态组合00,01,10,11，按键按下为“1”，状态转移图如下所示，当状态为01,10时开始数据转换。 (3)数据处理ADS7816是12位模数转换器，它的输出状态共有4096种，输入信号Ui为02.5V电压范围，则每两个状态值为2.5/(4096-1)，约为0.0006V，故测量分辨率为0.006V。常用测量方法是：当读取到DB11DB0转换值是XXXH时，电压测量值为UXXXH0.02V；考虑到直接使用乘法计算对应的电压值将耗用大量的FPGA内部组件，本设计用查表命令来得到正确的电压值。在读取到ADS7816的转换数据后，先用查表指令算出高，中，低4位的3个电压值，并分别用16位BCD码表示；接着设计16位的BCD码加法，如果每4位相加结果超过9需进行减10进1。这样得到模拟电压的BCD码。二进制数据高4位电压中4位电压低4位电压00000.0000.0000.00000010.1540.0100.00100100.3070.0190.00100110.4610.0290.00201000.6140.0380.00201010.7680.0480.00301100.9220.0580.00401111.0750.0670.00410001.2290.0770.00510011.3820.0860.00510101.5360.0960.00610111.6900.1060.00711001.8430.1150.00711011.9970.1250.00811102.1500.1340.00811112.3040.1440.0093.3译码显示模块clk1：时钟输入。doo23.0：低四位十进制BCD码输入端 doo33.0：中四位十进制BCD码输入端 doo43.0：高四位十进制BCD码输入端 CAT5.0： 片选信号，输出 seg6.0：7段数码管显示，输出 dp：小数点显示，输出三. 仿真波形及波形分析1. ADS7816转换控制模块 cs下降沿后的第一个时钟周期上升的计数变量t=1，根据代码，当t=4时开始接收ADS7816传进来的第一个数据B11到data_out(11)；t=5时开始接收ADS7816传进来的第二个数据B10到data_out(10)；直到t=15时开始接收ADS7816传进来的第十二个数据B0到data_out(0)，然后一次性将并行的12个数据data_out传给输出端da_out。2. 数据转换控制模块 如图所示，当en有一个上升沿时，开始数据转换。例如从ADS转换控制模块接收的数据为“000110111101”时，查表可知输出电压应为0.154+0.106+0.008=0.26V，即d4=“0000”，d3=“0010”，d2=“0110”；而当reset有一个下降沿时，d4=“0000”，d3=“0000”，d2=“0000”；以上预计结果与仿真图输出相同，仿真结果正确。3. 译码显示模块 图1图2仿真图中多个数码管是依次显示，当频率较高，切换速度足够快时，观察到所有数码管都是同时在显示。如图2，当输入是“000000100000”时，数码管显示“0.20”，CAT为“111110”时，seg为“1111110”，个位显示“0”；CAT为“1111101”时，seg为“1101101”，小数点第二位显示“2”。四. 源程序1. ADS7816转换控制模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY ads ISPORT( en:in std_logic; clk:in STD_LOGIC; cs:out STD_LOGIC; ad_dat: in std_logic; da_out: out std_logic_vector(11 downto 0);END ads;ARCHITECTURE behave OF ads IS signal oe:integer range 0 to 1; signal en1,en2,f_en:std_logic; signal t:integer range 0 to 16; signal temp_cs:std_logic; signal data_out:std_logic_vector(11 downto 0); BEGINp1:process(clk) -按键防抖begin if clkevent and clk=0 thenen2=en1;en1=en;end if;end process;f_en=clk and en1 and (not en2); p2:process(f_en,clk,oe) -begin if (f_enevent and f_en=1 )then -接收到开始测量按键的信号oedata_out(11)data_out(10)data_out(9)data_out(8)data_out(7)data_out(6)data_out(5)data_out(4)data_out(3)data_out(2)data_out(1)data_out(0)=ad_dat; da_outdata_out=000000000000; end case;if t16 then t=t+1; else ttemp_cstemp_csnull; end case; end if;end if; end process;cs=temp_cs;end behave;2. 数据转换控制模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY deal IS PORT( clk: in std_logic; datain:IN STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0); en: in std_logic; reset: in std_logic; beef: OUT STD_LOGIC; d2,d3,d4:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END deal;ARCHITECTURE behave OF deal IS SIGNAL data0,data1,data2:STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0); SIGNAL sum1,sum2,sum3,sum4,do1,do2,do3,do4:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); SIGNAL c1,c2,c3:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); signal flag:integer range 0 to 1; signal r:integer range 0 to 1; signal en1,en2,f_en:std_logic; signal reset1,reset2,f_reset:std_logic; BEGINp2:process(clk) -按键防抖begin if clkevent and clk=0 thenreset2=reset1;reset1=reset;en2=en1;en1=en;end if;end process;f_reset=clk and reset1 and (not reset2);f_en=clk and en1 and (not en2);p3:PROCESS(datain,f_en,f_reset) -reset,en组合的4个状态00,01,10,11转移关系 BEGIN if (f_enevent and f_en=1) thenif (r=0 and flag=0)or (r=0 and flag=1) thenflag=1;end if;if (r=1 and flag=1)or( r=1 and flag=0 ) thenflag=0;end if; end if; if (f_resetevent and f_reset=0) thenif (r=0 and flag=0)or (r=1 and flag=0) thenr=0;end if;if (r=1 and flag=1)or( r=0 and flag=1) thenr data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data2 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data1 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 data0 = NULL;END CASE; -将高，中，低分别代表的16位BCD（表示为15-0位）进行加法运算-16位BCD码中的（3-0位）相加，和大于9进1 sum1=(0&data2(3 DOWNTO 0)+(0&data1(3 DOWNTO 0)+(0&data0(3 DOWNTO 0); IF sum101010 THEN c1=00000; ELSE c1=00001; END IF; -16位BCD码中的（7-4位）相加，和大于9进1 sum2=(0&data2(7 DOWNTO 4)+(0&data1(7 DOWNTO 4)+(0&data0(7 DOWNTO 4)+c1; IF sum201010 THEN c2=00000; ELSE c2=00001; END IF; -16位BCD码中的（11-8位）相加，和大于9进1 sum3=(0&data2(11 DOWNTO 8)+(0&data1(11 DOWNTO 8)+(0&data0(11 DOWNTO 8)+c2; IF sum301010 THEN c3=00000; ELSE c3=00001; END IF; -16位BCD码中的（15-12位）相加，和大于9进1 sum4=(0&data2(15 DOWNTO 12)+(0&data1(15 DOWNTO 12)+(0&data0(15 DOWNTO 12)+c3; IF sum101010 THEN do1=sum1; -和大于9减10 ELSE do1=sum1-01010; END IF; IF sum201010 THEN do2=sum2; ELSE do2=sum2-01010; END IF; IF sum301010 THEN do3=sum3; ELSE do3=sum3-01010; END IF; IF sum401010 THEN do4=sum4; ELSE do4=sum4-01010; END IF;d2=do2(3 DOWNTO 0); -输出十进制BCD码中的低四位d3=do3(3 DOWNTO 0); -输出十进制BCD码中的中四位d4=0001 and do3(3 DOWNTO 0)=0101 ) THEN beef=1; else beef=0; END IF; else d2=0000; d3=0000; d4=0000; beef=0;end if;END PROCESS;END behave;3. 译码显示模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY display IS PORT( doo2,doo3,doo4: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); CLK1: IN STD_LOGIC; CAT: OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); dp: OUT STD_LOGIC; seg: OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0) ); END display; ARCHITECTURE V1 OF display IS SIGNAL TMP : INTEGER RANGE 0 TO 3; BEGIN p1: PROCESS(CLK1) BEGIN IF(CLK1EVENT AND CLK1 = 1 ) THEN IF(TMP = 3) THEN TMP = 1; ELSE TMP CAT = 111011;dp=1; if (doo4=0000) then seg=1111110;elsif (doo4=0001) then seg=0110000;elsif (doo4=0010) then seg=1101101;elsif (doo4=0011) then seg=1111001;elsif (doo4=0100) then seg=0110011;elsif (doo4=0101) then seg=1011011;elsif (doo4=0110) then seg=1011111;elsif (doo4=0111) then seg=1110000;elsif (doo4=1000) then seg=1111111;elsif (doo4=1001) then seg=1111011;else seg CAT = 111101;dp=0; if (doo3=0000) then seg=1111110;elsif (doo3=0001) then seg=0110000;elsif (doo3=0010) then seg=1101101;elsif (doo3=0011) then seg=1111001;elsif (doo3=0100) then seg=0110011;elsif (doo3=0101) then seg=1011011;elsif (doo3=0110) then seg=1011111;elsif (doo3=0111) then seg=1110000;elsif (doo3=1000) then seg=1111111;elsif (doo3=1001) then seg=1111011;else seg CAT = 111110;dp=0; if (doo2=0000) then seg=1111110;elsif (doo2=0001) then seg=0110000;elsif (doo2=0010) then seg=1101101;elsif (doo2=0011) then seg=1111001;elsif (doo2=0100) then seg=0110011;elsif (doo2=0101) then seg=1011011;elsif (doo2=0110) then seg=1011111;elsif (doo2=0111) then seg=1110000;elsif (doo2=1000) then seg=1111111;elsif (doo2=1001) then seg=1111011;else seg seg = 1111110;CAT = 111000; END CASE; END PROCESS; END V1;4. 12分频模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY div_12 IS PORT( clk: IN STD_LOGIC; clk_out: OUT STD_LOGIC);END div_12;ARCHITECTURE struct OF div_12 IS SIGNAL temp :INTEGER RANGE 0 TO 124; SIGNAL clk_temp: STD_LOGIC; BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF(clkevent AND clk=1) THEN IF temp=11 THEN temp=0;clk_temp=NOT clk_temp; ELSE temp=temp+1; END IF; END IF; END PROCESS; clk_out=clk_temp; END struct;五. 功能说明及资源利用情况1.功能说明 en：为开始测量按键，连接到BIN6,按下此键开始测量。 reset：为复位键，连接到BIN5，按下此键显示值变为“000”。 beef：为蜂鸣器，当量程超过1.5V时响起。 整个测量过程：将电池电压接入到实验板，按下开始测量键BIN6。若没有超过量程，数码管显示当前电池的电压值。若超过量程，蜂鸣器警报响起，数码管显示溢出值“555”。若按下复位键BIN5，数码管显示“000”。2.资源利用资源利用率：1268/1270=21%六. 故障及问题分析1.刚开始接触实验的时候，对整个框架的认识很模糊，没有弄清楚ADS7816的数据的输入输出和EPM1270T144C5的数据输入输出的关系。经过咨询同学，得知ADS7816的数据输入是待测量的电压，输出的串行12位数据是EPM1270T144C5的数据输入。ADS7816是独立于EPM1270T144C5之外的模数转换芯片。2.一开始接触实验的时候，对ADS7816的时序图没有给予太多的关注，以至于不了解转换芯片的工作过程。后来发现时序图对于ADS转换控制模块极其重要，仔细阅读，掌握了ADS7816的时序图：采用在DCLK的上升沿接收转换后的各位数据流。CS的下降沿用于启动转换和数据变换，CS有效后的最初1至2个转换周期内，ADS7816采样输入信号，此时输出引脚Dout呈三态。DCLK的第2个下降沿后,Dout使能并输出一个时钟周期的低电平的无效信号。在第4个时钟的上升沿，Dout开始输出转换结果，其输出数据的格式是最高有效位(B11位)在前。当最低有效位(B0位)输出后,若CS变为高电位,则一次转换结束,Dout显三态。当理解到这个原理的时候，ADS转化控制模块的编程思路由模糊变为清晰。3. 仿真时间区域的设定与输入波形周期的设定一定要协调，否则得到波形可能不便于观察或发生错误。4. 保存波形文件时，文件名必须与工程名一致，因为在多次为一个工程建立波形文件时，一定要注意保存时文件名要与工程名一致，否则不能