课程设计(基于FPGA的数码管十进制显示)

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书   学生姓名:金博楠学 号： 0906024139学 院: 电子与计算机科学技术学院专 业: 微电子题 目:利用键盘控制数码管进行十进制数字显示   指导教师： 崔永俊 职称: 副教授     2012 年 6 月 22 日目 录1、课程设计的目的12、课程设计内容和要求12.1、设计内容12.2、设计要求13、设计方案及实现情况13.1、设计思路13.2、工作原理及框图13.3、各模块功能描述33.4、仿真结果93.5、试验箱验

2、证情况104、课程设计总结115、参考文献12- 2 -1、课程设计的目的1）、学习操作数字电路设计实验开发系统，掌握数码管显示模块的工作原理及应用。 2）、掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计方法。 3）、学习掌握可编程器件设计的全过程。2、课程设计内容和要求2.1、设计内容1）、学习掌握键盘控制模块、数码管显示模块的工作原理及应用； 2）、熟练掌握VHDL编程语言，编写键盘控制模块的控制逻辑。2.2、设计要求1）、仿真所编写的程序，模拟验证所编写的模块功能； 2）、下载程序到芯片中，硬件验证所设置的功能，能够实现十进制数的显示； 3）、整理设计内容，编写设计说明书。3、设计方案及实现情况3

3、.1、设计思路1）、键盘不断扫描，有按键按下则输出相应信号，并且发出使能信号给处理模块。2）、处理模块对收到的信号进行判断，决定执行什么操作，对数据进行运算。3）、对于数字键需要移位显示，功能键要考虑优先级判断，进行倒计时操作时要能对时钟信号分频自减。4）、专门的程序段用来不断将当前数据各位求出，译码成显示内容输给数据选择模块。5）、数据选择模块根据扫描电路选择信号将各位数字显示出来。3.2、工作原理及框图1、键盘原理 键盘电路网络很像一台微缩的计算机，它拥有自己的处理器和在该处理器之间传输数据的电路，这个电路的很大一部分组成了键矩阵。键矩阵是位于键下方的一种电路网格。在所有的键盘（中，每个电

4、路在每个按键所处的位置点下均处于断开状态。当您按下某个键时，此按键将按下了开关，从而闭合电路，使得少量电流可以通过。开关的机械作用会导致某种振动（称作回弹），处理器可以过滤掉这种振动。如果您按下某键并保持住，则处理器认为您是在反复按下该键。试验箱上的键盘可以看做是8*4的矩阵键盘（虽然外部不是），8行由38译码器选择，所以有外部sel0-2三根线控制扫描。2、键盘中按键的判断 对于键盘中有无键按下的判断是很重要的，具体判断如下：将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与行线相交叉的按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键

5、按下。在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。键盘扫描模块在时钟下不断将行置零，扫描列的状态，判断按键。3、键盘按键对应的编码Sel2-0Kin3-0对应按键0001110000111101010111020111110311011104111111050001101600111017Sel2-0Kin3-0对应按键10011018101110191101011NEXT0001011LAST11

6、11011ENTER1011110ESC1101101A(+)1111101B(-)4、数据处理键盘扫描模块检测到按键按下后，给下级发出使能脉冲，同时将按键信息给数据处理模块。根据按键不同进行不同处理。数字键按下时，要进行移位操作；加减键按下时要进行寄存操作；自加减键按下是要进行加减1操作；清零键按下时要进行全部清零；确认键按下时要进行计算操作或者倒计时操作。这就需要设立一些标志位来判断。计算采用一位BCD形式计算，进借位标志位辅助，这样比用实数计算后转BCD形式的电路简单高效。处于倒计时模式时，引入外部时钟，内部分频后自减一操作。5、多路选择显示四个需要显示的数码管的值始终输入，通过片选决定

7、某一时刻那个值输出。选择信号即为扫描输出信号，因为数码管和键盘是共用一个扫描端。所以当扫描信号选中相应数码管时让对应值输出即可。6、整体电路结构框图图1.原理图框架3.3、各模块功能描述扫描模块：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY scan ISPORT(clk:IN STD_LOGIC;-输入时钟en:OUT STD_LOGIC;-有键按下时输出使能data:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWN

8、TO 0);-输出按键信息slk:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);-数码管选择端口kin:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);-键盘响应输入端口END scan;ARCHITECTURE behave OF scan ISBEGINPROCESS(clk)VARIABLE pslk:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);-扫描变量VARIABLE p:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);-按键信息变量VARIABLE i:INTEGER RANGE 0 TO 7;-扫描循环变量VARIABL

9、E rel:INTEGER RANGE 0 TO 300;-重复按键延时变量VARIABLE int:STD_LOGIC;-按键中断变量BEGINIF(clk'EVENT AND clk='1')THEN-500HZ的时钟信号上升沿触发IF(rel=300)THEN-两次按键产生有效的最短时间，延时避免重复触发rel:=rel;ELSErel:=rel+1;END IF;IF(i<=7)THEN-扫描信号为000111，8次循环扫描slk<=pslk;-赋扫描值int:=kin(0) AND kin(1) AND kin(2) AND kin(3);-按键输

10、入任意位为0即引起中断IF(int='0' AND rel=300)THEN-在中断和最小按键间隔条件满足下对按键内容进行判断FOR j IN 0 TO 20 LOOP-延时（避开抖动阶段）END LOOP;int:=kin(0) AND kin(1) AND kin(2) AND kin(3);IF(int='0')THEN-消抖后再次确认有键按下rel:=0;p:=(pslk-1) & kin;-结合slk和kin的信息判断哪个键按下CASE p IS-判断按键信息WHEN "0001110"=>data<="

11、;0000"-0WHEN "0011110"=>data<="0001"-1WHEN "0101110"=>data<="0010"-2WHEN "0111110"=>data<="0011"-3WHEN "1101110"=>data<="0100"-4WHEN "1111110"=>data<="0101"-5WHEN &q

12、uot;0001101"=>data<="0110"-6WHEN "0011101"=>data<="0111"-7WHEN "1001101"=>data<="1000"-8WHEN "1011101"=>data<="1001"-9WHEN "1101011"=>data<="1010"-10-NEXTWHEN "0001011&qu

13、ot;=>data<="1011"-11-LASTWHEN "1111011"=>data<="1100"-12-ENTERWHEN "1011110"=>data<="1101"-13-ESCWHEN "1101101"=>data<="1110"-14-A(+)WHEN "1111101"=>data<="1111"-15-B(-)WHEN OTHERS

14、=>NULL;END CASE;en<='1'-产生脉冲信号END IF;ELSEen<='0'END IF;pslk:=pslk+1;FOR j IN 0 TO 3 LOOPEND LOOP;i:=i+1;ELSE i:=0;END IF;END IF;END PROCESS;END behave;数据处理模块：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY eightbit

15、 ISPORT(data2:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);-按键信息输入en2:IN STD_LOGIC;-使能脉冲接收clk2:IN STD_LOGIC;-时钟信号，负责检查输入信号状态，分频倒计时bit1:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);bit2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);bit3:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);bit4:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);-对应四个需要显示的数码管需要显示的信息END eightbi

16、t;ARCHITECTURE behave OF eightbit ISPROCEDURE q_to_bit-子程序（数值转数码管显示码）(q:IN INTEGER;-需要显示的数值SIGNAL bit0:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)IS-转换出来的数码管显示码BEGINCASE q ISWHEN 0=>bit0<="00111111"WHEN 1=>bit0<="00000110"WHEN 2=>bit0<="01011011"WHEN 3=>bit0&l

17、t;="01001111"WHEN 4=>bit0<="01100110"WHEN 5=>bit0<="01101101"WHEN 6=>bit0<="01111101"WHEN 7=>bit0<="00100111"WHEN 8=>bit0<="01111111"WHEN 9=>bit0<="01101111"WHEN OTHERS=>bit0<="000000

18、00"END CASE;END PROCEDURE q_to_bit;PROCEDURE x_to_y-子程序（四变量赋值）(x1:IN INTEGER;-赋值内容x2:IN INTEGER;x3:IN INTEGER;x4:IN INTEGER;y1:OUT INTEGER;-被赋值变量y2:OUT INTEGER;y3:OUT INTEGER;y4:OUT INTEGER)ISBEGINy1:=x1;y2:=x2;y3:=x3;y4:=x4;END PROCEDURE x_to_y;PROCEDURE add-子程序（十进制一位加法）(a:IN INTEGER;-被加数b:IN

19、INTEGER;-加数c1:IN INTEGER RANGE 0 TO 2;-上级进位z:OUT INTEGER;-和c2:OUT INTEGER RANGE 0 TO 2)IS-下级进位VARIABLE zz:INTEGER;BEGINzz:=a+b+c1;-被加数+加数+进位IF(zz>9)THEN-大于10进位c2:=1;zz:=zz-10;ELSEc2:=0;END IF;z:=zz;END PROCEDURE add;PROCEDURE sub-子程序（十进制一位减法）(a:IN INTEGER;-被减数b:IN INTEGER;-减数c1:IN INTEGER RANGE 0

20、 TO 2;-上级借位z:OUT INTEGER;-差c2:OUT INTEGER RANGE 0 TO 2)IS-下级借位VARIABLE zz:INTEGER;BEGINzz:=a-b-c1;-被减数-减数-借位IF(zz<0)THEN-差小于0借位c2:=1;zz:=zz+10;ELSEc2:=0;END IF;z:=zz;END PROCEDURE sub;BEGINPROCESS(clk2)VARIABLE q1,q2,q3,q4,p1,p2,p3,p4:INTEGER RANGE 0 TO 9:=0;-q为显示的数对应的四个位的值，p和q一一对应，用作加减法时存放被加数，被减

21、数VARIABLE c:INTEGER RANGE 0 TO 2:=0;-进位，借位标志位VARIABLE r,n,a,b,e:BIT:='0'-r为倒计时标志位，n为加减法待操作位，a为加法标志位，b为减法标志位，e为重复屏蔽位VARIABLE count:INTEGER RANGE 0 TO 500:=0;-倒计时分频计数变量BEGINIF(clk2'EVENT AND clk2='1')THEN-时钟信号上升沿触发检查端口状态IF(en2='1' AND e='0')THEN-使能信号有效，且重复屏蔽信号关闭时响应按

22、键信息CASE data2 ISWHEN "1100" =>-按键为“enter”键，执行求结果，倒计时启动暂停功能n:='0'-解除加减法待操作状态IF(a='1')THEN-有加法则进行加法运算a:='0'-加法标志位清零add(q1,p1,0,q1,c);-被加数与加数求和add(q2,p2,c,q2,c);add(q3,p3,c,q3,c);add(q4,p4,c,q4,c);ELSIF (b='1')THEN-有减法则进行减法运算b:='0'-减法标志位清零sub(p1,q1,0

23、,q1,c);-被减数与减数作差sub(p2,q2,c,q2,c);sub(p3,q3,c,q3,c);sub(p4,q4,c,q4,c);ELSIF (r='0')THEN-没有加减法操作又不在倒计时状态则启动倒计时r:='1'ELSE-否则为在倒计时状态，“enter”键功能为暂停r:='0'END IF;WHEN "1110" =>-按键为“A（+）”键，执行加法功能IF (r='0')THEN-不在倒计时状态，则（否则无效）a:='1'-加法标注位置1b:='0'-

24、减法标志位清零n:='1'-待操作位置1x_to_y(q1,q2,q3,q4,p1,p2,p3,p4);-被加数暂存x_to_y(0,0,0,0,q1,q2,q3,q4);-显示清零END IF;WHEN "1111" =>-按键为“B（-）”键，执行减法功能IF (r='0')THEN-不在倒计时状态，则（否则无效）a:='0'-加法标志位清零b:='1'-减法标志位置1n:='1'-待操作位置1x_to_y(q1,q2,q3,q4,p1,p2,p3,p4);-被减数暂存x_to_y(0

25、,0,0,0,q1,q2,q3,q4);-显示清零END IF;WHEN "1010" =>-按键为“next”键，执行自加1功能IF (r='0')THEN-不在倒计时状态，则（否则无效）IF (n='0')THEN-不在加减号刚输入之后（否则无效）add(q1,1,0,q1,c);-加1add(q2,0,c,q2,c);add(q3,0,c,q3,c);add(q4,0,c,q4,c);END IF;END IF;WHEN "1011" =>-按键为“last”键，执行自减1功能IF (r='0&#

26、39;)THEN-不在倒计时状态，则（否则无效）IF (n='0')THEN-不在加减号刚输入之后（否则无效）sub(q1,1,0,q1,c);-减1sub(q2,0,c,q2,c);sub(q3,0,c,q3,c);sub(q4,0,c,q4,c);END IF;END IF;WHEN "1101" =>-按键为“esc”键，执行清零功能IF (r='0')THEN-不在倒计时状态，则（否则无效）x_to_y(0,0,0,0,p1,p2,p3,p4);-寄存器，标志位清零x_to_y(0,0,0,0,q1,q2,q3,q4);a:=&

27、#39;0'b:='0'n:='0'END IF;WHEN OTHERS =>-按键为“09”，执行多位数据输入，移位显示IF (r='0')THEN-不在倒计时状态，则（否则无效）n:='0'-解除加减法待操作状态q4:=q3;-后一个数码管显示内容给前一个q3:=q2;q2:=q1;q1:=CONV_INTEGER(date2);-第一位读取输入的数字END IF;END CASE;e:='1'-重复屏蔽信号打开，防止重复触发ELSIF (en2='0')THEN-使能脉冲过去后重

28、复屏蔽信号关闭e:='0'END IF;IF(r='1')THEN-在倒计时状态，执行每秒减1倒计时IF(count<500)THEN-计500次一分频count:=count+1;-未到500时累加ELSIF(count=500)THEN-计到500时减1count:=0;-计数清零sub(q1,1,0,q1,c);sub(q2,0,c,q2,c);sub(q3,0,c,q3,c);sub(q4,0,c,q4,c);END IF;END IF;END IF;q_to_bit(q1,bit1);-将各位数值转成数码管显示码给输出q_to_bit(q2,bi

29、t2);q_to_bit(q3,bit3);q_to_bit(q4,bit4);END PROCESS;END behave;显示模块：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY choose ISPORT(slk2:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);-扫描信号，用作选择number1:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);-各数码管要显示的内容number2:IN

30、STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);number3:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);number4:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);number:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);-片选的数码管显示的内容END choose;ARCHITECTURE behave OF choose ISBEGINPROCESS(slk2)BEGINCASE slk2 ISWHEN "000"=>number<=number1;-片选信号对应的多路选择器的选通规则WHEN "001"=>number<=number2;WHEN "010"=>number<=number3;WHEN "011"=>number<=number4;WHEN OTHERS=>number<="00000000"-高四位数码管未用，选到是统一输出全暗END CASE;END PROCESS;END