哈工大电信学院FPGA报告

1、FPGA 设计与应用综合实验报告班级：姓名：学号：日期： 2016年 11月 3日哈尔滨工业大学电子与信息工程学院FPGA设计与应用实验指导书实验类型：必做学时：10学时实实验性质：验证性 开课单位：电信院、实验目的1、了解分频器和计数器的基本实现原理;2、掌握七段数码管的使用方法；3、掌握锁相环的使用方法；4、掌握串口通信的基本原理和实现方法;5、了解线性分组码的基本原理及实现方法;6掌握大型工程的模块设计方法。二、实验要求该综合实验由两个独立的实验构成，分别是:综合实验1: (7,4)汉明编码、串口发送和数码管显示综合实验。在该实验中,要求能够利用4个拨码开关产生4个信息比特送给FPGA；

2、随后FPGA利用(7,4) 汉明码对这4个信息比特进行编码；编码后的7位码字一方面通过串口送给计算机进行显示，另一方面通过七段数码管进行显示。由于(7,4)汉明码的每个码字只 有7个比特，而串口通信通常需要8个比特，所以采用低位插零的方式将7位汉 明码字扩充为8个比特再进行串口传输和数码管显示。要求使用2个七段数码管, 其中一个显示扩充汉明码中的高 4位(即信息位)，而另一个数码管显示扩充汉明码中的低4位(即校验位)综合实验2： (7,4)汉明译码、串口接收和数码管显示综合实验。在该实验中，要求能够利用计算机的串口发送汉明码字 (可以是没有错误的汉明码字，也可以是有一个比特错误的汉明码字)；然

3、后利用FPGA进行串口数据接收；接收后进 行(7,4)汉明译码，并将译码后的结果送给七段数码管进行显示。要求使用4个七 段数码管，其中2个数码管用于显示从串口接收到的数据， 另一个数码管用于显 示汉明译码后的正确信息比特，最后一个数码管用于指示出错比特的位置。三、实验准备(10分)3.1串口通信的基本原理(5分)串口通信指口按位发送和接收字节。 通信使用3根线完成，分别是地线、发 送、接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根1哈尔滨工业大学电子与信息工程学院FPGA设计与应用实验指导书线上接收数据。其他线用于握手，但不是必须的。串口通信最重要的参数是 波特率、数据位、

4、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须 匹配。波特率表示每秒传输的位数，接受发送双方必须匹配。不发送数据时，连 线上为高电平。发送数据时，要首先发送一个起始位，为低电平，然后按照协议 发送需要的数据，八位或者九位（带有校验位），然后发送一个停止位，为高电 平。接收时，要首先确定起始位，然后按照协议接受八位或者九位数据。接受完 成后继续判断起始位，开始下一个接受周期。3.2 （7, 4）汉明码的编译码基本原理（5分）一般来说，若汉明码长为n,信息位数为k,则监督位数r=n-k。若希望用r 个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求(1)2r -1n 或 2r

5、 -1 k + r +1F面以（7, 4）汉明码为例说明原理:设汉明码（n,k）中k=4，为了纠正一位错码，由式（1）可知，要求监督位 数r若取r=3,则n=k+r=7。我们用a6a5a4a3a2a1a0来表示这7个码元，用S,S2S3 的值表示3个监督关系式中的校正子，则S1S2S3的值与错误码元位置的对应关系可以规定如表1所列。S0S1S2错码位置S0SS2错码位置001a。101a3010a1110a6100a2111a4011a5000无错码表1监督位与错码位置则由表1可得监督关系式:$2=36 a a?Si = a6a5a4a1So =35 34 as a。在发送端编码时，信息位a6

6、a5a4a3的值决定于输入信号，因此它们是随机的。(2)2哈尔滨工业大学电子与信息工程学院FPGA设计与应用实验指导书监督位a2、ai、ao应根据信息位的取值按监督关系来确定， 即监督位应使式（2）式（4）中So、Si、S2的值为0 （表示编成的码组中应无错码）a? = a a agai = a a a4a。= a a ag当数字信号编码成汉明码形式（本文中即 A）后在信道中传输，由于信道中噪声的干扰，可能由于干扰引入差错，使得接收端收到错码，因此在接收端进行 汉明码纠错，以提高通信系统的抗干扰能力及可靠性。 监督位计算结果：C6C5C4C3C2C1C0UX0000000000H0001101

7、01AH001011102EH0011010034H0100011046H010111005CH0110100068H0111001072H100011008CH1001011096H10100010A2H10111000B8H11001010CAH11010000D0H11100100E4H11111110FEH表2（7， 4）汉明码编码四、代码及测试（25分）4.1综合实验1的原理框图、代码及相关说明（8分）原理框图:图1发送数据LIBRARY IEEE;USE lEEE.STD LOGIC 1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY E

8、X1 ISP ORT ( xyt_CLK : IN STD_LOGIC;xyt_IN: IN STD_LOGIC_VECTOR( 3 DOWNTO 0 ); xyt_LEDH: OUT STD_LOGIC_VECTOR( 6 DOWNTO 0 ); xyt_LEDL : OUT STD_LOGIC_VECTOR( 6 DOWNTO 0 ); xyt_OUT : OUT STD_LOGIC);END EX1;ARCHITECTURE xyt OF EX1 ISTYPExyt_STATE_T YPEIS(xyt_STATE_IDLE,xyt_STATE_START,xyt_STATE_SEND,x

9、yt_STATE_ST OP);SIGNAL name_STATE: name_STATE_T YP E:=name_STATE_IDLE;SIGNAL n ame_EN:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL n ame_BAUD:STD_LOGIC;SIGNAL n ame_BAUDCNT: STD_LOGIC_VECTOR (8 DOWNTO 0);SIGNAL n ame_ST OP CNT:STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);BEGINU1: PROCESS( name_CLK)BEGINIF n ame_CLKEVENT AN

10、D n ame_CLK=1 THENIF n ame_BAUDCNT217 THENn ame_BAUDCNTv=name_BAUDCNT+1; n ame_BAUD=0;ELSIF n ame_BAUDCNT434 THENname BAUDCNT=name BAUDCNT+1; name_BAUD=1;ELSEn ame_BAUDCNT0);n ame_BAUD=0;END IF;END IF;END P ROCESS;U2:P ROCESS( name_CLK)BEGINn ame_EN(7 DOWNTO 4)=n ame_IN(3 DOWNTO 0);n ame_EN(3)=name_

11、IN (3) XOR name_IN(1) XOR name_IN(0);n ame_EN(2)v=name_IN (3) XOR name_IN (2) XOR n ame_IN(1);n ame_EN(1)=name_IN (2) XOR name_IN(1) XOR name_IN(0); n ame_EN(0)=0;END P ROCESS;U3:P ROCESS( name_BAUD)BEGINIF n ame_BAUDEVENT AND n ame_BAUD=1 THEN CASE n ame_EN(3 DOWNTO 0) IS name_LEDL name_LEDL name_L

12、EDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name_LEDL name LEDL =1000000;1111001;0100100;0110000;0011001;0010010;0000010;1111000;0000000;0010000;0001000;0000011;1000110;0100001;0000110;WHEN OTHERS = n ame_LEDL name_LEDH =name_LEDH =1111001;

13、name_LEDH =0100100;name_LEDH =0110000;name_LEDH =0011001;name_LEDH =0010010;name_LEDH =0000010;name_LEDH =1111000;name_LEDH =0000000;name_LEDH =0010000;name_LEDH =0001000;name_LEDH =0000011;name_LEDH =1000110;name_LEDH =0100001;name_LEDH n ame_LEDH n ame_OUT=1;name STATEn ame_OUT=0;name_NUM:=0;name

14、STATE name_OUT=name_EN( name_NUM); IF n ame_NUM7 THENn ame_NUM:=name_NUM+1;n ame_STATE=n ame_STATE_SEND; ELSEn ame_ST OP CNT=X0000;name STATEn ame_OUT=XFFFF THENn ame_ST OP CNT=X0000;n ame_STATE=n ame_STATE_IDLE; 6 哈尔滨工业大学电子与信息工程学院FPGA设计与应用实验指导书ELSEn ame_ST OP CNT=n ame_ST OP CNT+1; n ame_STATEn ame

15、_STATE=n ame_STATE_IDLE;END CASE;END IF;END P ROCESS;END n ame;4.2综合实验2的原理框图、代码及相关说明(9分)原理框图:图2译码接收原理图ENTITY EX2 ISP ORT( name_CLK:IN STD_LOGIC;name RXD:IN STD LOGIC;n ame_RCVH:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);n ame_RCVL:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);n ame_YM_R:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);n

16、ame_WR:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); END ENTITY EX2;ARCHITECTURE n ame OF EX2 ISTYPEn ame_RCV_T YPEIS( name_RCV_IDLE ,n ame_RCV_ST OP,n ame_RCV_DATA);SIGNAL name_STATE: name_RCV_T YP E:=name_RCV_IDLE;SIGNAL name BAUD:STD LOGIC;SIGNAL n ame_BAUDCNT:STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);SIGNAL name BAUD8 :

17、 STD LOGIC;SIGNAL n ame_BAUD8CNT: STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);SIGNAL name_FLAG:STD_LOGIC:=0;SIGNAL n ame_S:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);SIGNAL n ame_RCV:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL n ame_YM:STD_L0GIC_VECT0R(3 DOWNTO 0);SIGNAL n ame_DATA:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL n ame_RXD_NEXT :S

18、TD_LOGIC;SIGNAL name_RIGHT:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGINU1: PROCESS( name_CLK)BEGINIF n ame_CLKEVENT AND n ame_CLK=1 THENIF n ame_BAUDCNT216 THENn ame_BAUDCNT=name_BAUDCNT+1; n ame_BAUD=0;ELSIF n ame_BAUDCNT434 THENn ame_BAUDCNT=name_BAUDCNT+1; name_BAUD=1;ELSEn ame_BAUDCNT0);n ame_BAUD=0;END

19、IF;END IF;END P ROCESS;U11: PROCESS( name_CLK)BEGINIF n ame_CLKEVENT AND n ame_CLK=1 THENIF n ame_BAUD8CNT27 THENname BAUD8CNT=name BAUD8CNT+1;n ame_BAUD8=0;ELSIF n ame_BAUD8CNT54 THENname BAUD8CNT=name BAUD8CNT+1;n ame_BAUD8=1;ELSEn ame_BAUD8CNT0);n ame_BAUD8n ame_NUM1 THENn ame_RCV_TE MP (NUM):=0;

20、ELSE n ame_RCV_TE MP( NUM):=1;END IF;NUM:=NUM+1;n ame_NUM:=0;n ame_NUM0:=0;n ame_NUM1:=0;END IF;IF NUM=9 THENIF name_RCV_TE MP (0)=0 THENn ame_RCV=1000000;1111001;0100100;0110000;0011001;0010010;0000010;WHEN 0111WHEN 1000WHEN 1001WHEN 1010=WHEN 1011=WHEN 1100WHEN 1101WHEN 1110WHEN 1111=n ame_RCVH n

21、ame_RCVH n ame_RCVH n ame_RCVH n ame_RCVH n ame_RCVH n ame_RCVH n ame_RCVH n ame_RCVHWHEN OTHERS = NULL;END CASE;CASE n ame_RCV(3 DOWNTO 0) IS n ame_RCVL n ame_RCVL n ame_RCVL name_RCVL n ame_RCVL n ame_RCVL n ame_RCVL n ame_RCVL n ame_RCVL n ame_RCVL name_RCVL n ame_RCVL n ame_RCVL n ame_RCVL n ame

22、_RCVL n ame_RCVL =WHEN 1011=WHEN 1100WHEN 1101WHEN 1110WHEN 1111=WHEN OTHERS = NULL;END CASE;CASE name_YM ISWHEN 0000 WHEN 0001 WHEN 0010 WHEN 0011 WHEN 0100 WHEN 0101 WHEN 0110 WHEN 0111 WHEN 1000 WHEN 1001 WHEN 1010=1111000;0000000;0010000;0001000;0000011;1000110;0100001;0000110;0001110;1000000;11

23、11001;0100100;0110000;0011001;0010010;0000010;1111000;0000000;0010000;0001000;0000011;1000110;0100001;0000110;0001110;n ame_YM_R = 1000000; n ame_YM_R = 1111001; n ame_YM_Rn ame_YM_Rn ame_YM_Rn ame_YM_R=0100100;=0110000;=0011001;=0010010;name YM R = 0000010; name YM R = 1111000; name YM R = 0000000;

24、 name YM R = 0010000; n ame_YM_R name_YM_R name_YM_R name_YM_R name_YM_R name_YM_R name YM R WHEN 001=WHEN 010=WHEN 011=WHEN 100=WHEN 101=WHEN 110=WHEN 111=name_WR = 1000110;name_WR = 1111001;name_WR = 0100100; -2 name_WR name_WR name_WR name_WR name_WR= NULL;END CASE;END IF;END P ROCESS;U4:P ROCESS

25、( name_CLK)BEGINIF n ame_CLKEVENT AND n ame_CLK=1 THENn ame_DATA=name_RCV(7 DOWNTO 0);n ame_S(2)v=name_RCV(7) XOR name_RCV (5) XOR name_RCV XOR name_RCV(3);n ame_S(1)=name_RCV(7) XOR name_RCV (6) XOR name_RCV(5) XOR name_RCV(2);n ame_S(0) name_DATA v=NOT name_DATA ；WHEN 011=n ame_DATA (6) name_DATA

26、(5) name_DATA v=NOT name_DATA(4);WHEN 100= name_DATA (3)n ame_DATA (2) name_DATA(1)v=NOT name_DATA(1);WHEN OTHERS=n ame_RIGHT = n ame_DATA(7 DOWNTO 4);END CASE;n ame_YMkyLBaudE jM-BAUDCHTTy1_BAUDCISrnBKyt_BAUDCISrTT7 g謂UDC仲覺 nKy1_0AUDChn&-T/LBAUDChTTllKKr1_0AUDCISrn3 Kyt 0AUDCNTP叽日AUDCNTP】覺k/LB 戌 UD

27、CNTl列* xyl.LEDHxyLLEOL32S436126IMIS?k七 H-Ui UM lUJ .UdJll Uni idBllbUdllhUlldU.liil.ldbl.liil.ldbl.liil.liil.llliikHdllBkliildll.kbUlldkbU.ldbBul U.B Bk I-TLruruTLnrLTWwuuiTLnnnnmnmj_I_I_I_I_I_ LTururururLTurun LrLnTLrLruLrmrLRrLrLrLrirLn mumwMinnmmumuujmuMMiHHmmnmuMLnTLKTmrLTLRr.mramummuw7ah图3输入信号为

28、1,编码为1A而综合实验2中产生的汉明码字是按照如下方式确定的： 把自己学号的最后位1作为信息位，首先给出该信息位对应的正确汉明码字1A。TypeAliName-126专+fl即123哮学呷MS JCkt_BAUO1 ! 11砂 BALJDBL_rn_r-LL_rn_rLr-Lr-LrLj_rn_r出 3(yt_DATd1iDh牛:t：眈V!lAh田-X_RCVHi71黔TW icyLRCVL1OBti理n-All WRf屮 xyt_VWi ih驾R xyt_VU_R7 Ml-T Iidg. 2010/11A13 12J1.12 HD图4串口发送1A然后依据自己学号的倒数第二位为 2,来对正确

29、的汉明码字（0001 1010）的第3位取反（最高位设为第1位）0011 1010，得到错误的汉明码字3A。tag:12:21:12 #0Type灣Nairw icy1_&AUD xyt_BAUDB 兰 g&AH 回 KytJKV 同耳 xyt_KVL L* Kyt_ 艸R 回 Tt_yu* Kyt YU K的第j+1位取反（最高位设为第1位），得到错误的汉明码字。并解释该错误汉3641356f lOtiX 3Qft r ion X 30h 師 y 谢乔Tx ati X 1術 X 30ti y ifln y Mr X ion y 30n 灯乔TX 30ri Y rftn X me YSAh|h

30、T图5串口发送3A五、论述（5分）给出在信息出现1个比特错误时，如何进行正确的解码，举例说明。例子应和自己学号的最后两位相关。规则为：把自己学号的最后一位作为信息位 （如果学号最后一位为0,那么以AH作为信息位），首先给出该信息位对应的正确汉明码字；然后依据自己学号的倒数第二位（假设为数字j），来对正确的汉明码字明码的解码过程。注：例如学号最后两位为05,该学号最后一位（值为5）所对应的汉明码为5CH ;用学号的倒数第二位（值为0）将该码字的第1位取反，即得到错误码字DCH。给出对应错误码字的解码过程及分析。TypeSa学号的最后一位是1,所以编码结果为:1AH。Namek/LBaUD叵 xy

31、LBAUDCM-WAUDCISTTl 目Kyt_BAUDCISrTT7Kyt_BAUDCJr(6Ky1_0AUDChn&囂心AUK呵4叩HUDEZhTTp _ _nL_rm_n_ xyL 謂 UMNT口 111511112111厂11fl*口T3 ；:L ： t|- 2 工HK礦IK lJkJI J J Jll-LUJBlIbUIIJLI.U.ULIiLi.UBII Lik HJlIBkUJlIak J k LL lJ UiB - J JkU7IULTLTLTirLriLrLrLrLrLruLrLnrLRrLrLrLriJWLrLrLrLrLrLrmrbaudcmi nniuiiiiniuii

32、iinn啊inii颐iwiuimiinBiiiiiiBiiiiiiiiiiniuiiiinBiiuinf* iy1 LEDH75h+ xylLEDL图6输入信息1A学号的最后两位是21 （0010 0001）,为错码，正确码应该为2EH（0010 1110）。 此时，错了三位码（最后一位忽略）。输出的YM结果却会出现2h与0h交替的现 象，程序如下：U4:P ROCESS（ name_CLK）BEGINIF n ame_CLKEVENT AND n ame_CLK=1 THENn ame_DATA=name_RCV(7 DOWNTO 0);n ame_S(2)=name_RCV(7) XOR

33、name_RCV (5) XOR name_RCV XOR name_RCV(3);n ame_S(1)=name_RCV(7) XOR name_RCV (6) XOR name_RCV(5) XOR name_RCV(2);n ame_S(0) name_DATA v=NOT name_DATA ；WHEN 011=n ame_DATA (6) name_DATA (5) name_DATA v=NOT name_DATA(4);WHEN 100= name_DATA (3)n ame_DATA (2) name_DATA(1)v=NOT name_DATA(1);WHEN OTHERS=NULL;END CASE;n ame_YM=name_DATA(7 DOWNTO 4);END IF;END P ROCESS;通过分析：1)2)3)第一步 name_DATAv=name_RCV(7 DOWNTO 0), name_DATA 里储存接 收到的不知对错的信息。若有错对name_DATA进行相应位进行取反纠错，但此时是仅能纠错一 位。此时S0S1S2为111，即name_RCV(5)错，取反后得到01H。将name_DATA译码后的(7 DOWNTO 4)高四位给name_YM。name