VerilogHDL可综合设计举例

第7章VerilogHDL可综合设计举例7.1跑马灯限制器设计7.28位数码扫描显示电路设计7.3数控分频器的设计7.4乐曲硬件演奏电路设计7.5数字跑表和数字钟设计7.6VerilogHDL状态机A/D采样限制电路7.7交通限制器设计7.8空调限制器设计7.9饮料自动售卖机设计7.10小结7.1跑马灯限制器设计设计要求：共8个LED灯，连成一排。要求实现几种灯的组合显示。具体要求如下：（1）模式1：先奇数灯即第1/3/5/7灯亮0.25s，然后偶数灯即第2/4/6/8灯亮0.25s；依次类推。（2）模式2：依据1、2、3、4、5、6、7、8的依次依次点亮全部灯，间隔0.25s；然后再按1、2、3、4、5、6、7、8的依次依次熄灭全部灯，间隔0.25s。（3）模式3：依据1/8、2/7、3/6、4/5的依次依次点亮全部灯，间隔0.25s，每次同时点亮两个灯；然后再依据1/8、2/7、3/6、4/5的依次依次熄灭全部灯，间隔0.25s，每次同时熄灭两个灯。（4）以上模式可以选择。7.1跑马灯限制器设计7.1跑马灯限制器设计7.1跑马灯限制器设计图7-3跑马灯仿真波形图7.1跑马灯限制器设计图7-4引脚锁定状况7.1跑马灯限制器设计扩展部分：请读者思索其他LED显示方式，并实现之。例如：先循环左移，再循环右移（任一时刻只有一个LED灯亮），然后从两头至中间（任一时刻只有两个LED亮），之后不断重复以上行为。7.28位数码扫描显示电路设计设计要求：共8个数码管，连成一排，要求可以随意显示其中一个或多个数码管。具体要求如下：（1）依次选通8个数码管，并让每个数码管显示相应的值，比如：让每个数码管依次显示13579BDF。（2）要求能在试验台上演示出数码管的动态显示过程。7.28位数码扫描显示电路设计图7-5共阴数码管及其电路7.28位数码扫描显示电路设计图7-68位数码扫描显示电路7.28位数码扫描显示电路设计图7-7数码管顶层模块框图7.28位数码扫描显示电路设计图7-8数码管仿真波形图7.28位数码扫描显示电路设计图7-9引脚锁定状况7.28位数码扫描显示电路设计扩展部分：读者尝试完成以下几种显示方式：（1）8个数码管同时显示，8个段依次显示，即a、b、c、d、e、f、g、dp依次显示，每个段持续显示时间为0.25s时间。（2）8个段和8个数码管依次显示，a段显示在第1个数码管上，b段显示在第2个数码管上，……，dp段显示在第8个数码管上，显示持续时间0.25s。（3）将0~F这16个十六制数依次显示在数码管中，每个时刻只有一个数码管显示，持续时间为0.25s：0显示在第1个数码管、1显示在第2个数码管、……、7显示在第8个数码管、8显示在第1个数码管、……、F显示在第8个数码管。7.3数控分频器的设计设计要求：（1）对于随意频率可以实现数控分频；（2）对于预定频率，均可以通过分频得到。7.3数控分频器的设计图7-10分频器模块端口框图7.3数控分频器的设计图7-11数控分频器的仿真结果7.3数控分频器的设计图7-12引脚锁定7.3数控分频器的设计扩展部分：（1）利用本节的数控分频器得到的频率，其占空比为50%。若占空比可调，比如占空比为30%，如何实现？提示：可运用两个8位输入数据限制输出脉冲的凹凸电平持续时间。（2）尝试运用其他分频器的设计方法。例如第4章提出的方法，并比较这些方法的异同。7.4乐曲硬件演奏电路设计设计要求：（1）利用7.3节的数控分频器设计硬件乐曲演奏电路。（2）了解乐谱的一些基本学问，可以将乐谱转换为相应的QuartusII文件，驾驭其演奏原理。（3）驾驭本设计各模块的功能，能够填入并演奏一些新的曲子。7.4乐曲硬件演奏电路设计图7-13简谱中音名与音频的对应关系7.4乐曲硬件演奏电路设计图7-14简谱中音频与分频预置数的对应关系7.4乐曲硬件演奏电路设计图7-15硬件乐曲演奏电路结构7.4乐曲硬件演奏电路设计图7-16引脚锁定7.4乐曲硬件演奏电路设计图7-17梁祝简谱7.4乐曲硬件演奏电路设计图7-18两只老虎的简谱7.4乐曲硬件演奏电路设计扩展部分：1）填入新的乐曲，如“梁祝”、或其它熟悉的乐曲。操作步骤如下：a、依据所填乐曲可能出现的音符，修改例7-11的音符数据，同时留意每一音符的节拍长短；b、假如乐曲比较长，可增加模块NOTETABA中计数器的位数，如9位时可达512个基本节拍。（2）在一个ROM装上多首歌曲，可手动或自动选择歌曲。（3）结合本试验，读者可以查阅电子琴相关学问并设计一个简易电子琴。（4）例7-8中的进程DelaySpkS对扬声器发声有什么影响？在电路上应当满足哪些条件，才能用数字器件干脆输出的方波驱动扬声器发声？7.5数字跑表和数字钟设计设计要求：（1）计时功能：编写一个具有“百分秒、秒、分、小时”计时功能的数字跑表，可以实现一个小时以内精确至百分之一秒的计时。要求具有复位和暂停功能：复位后，从00:00:00:00起先计数；暂停后，保持现有计数值不变。（2）校准功能：依据当前时间校准闹钟。即增加一个校时键，增加时、分预置初值按钮，这样可以对小时、分钟进行校准。7.5数字跑表和数字钟设计图7-22数字钟顶层模块设计7.5数字跑表和数字钟设计图7-23仿真波形7.5数字跑表和数字钟设计图7-27引脚锁定7.5数字跑表和数字钟设计图7-28256Hz转换为100Hz的仿真波形7.5数字跑表和数字钟设计扩展部分：（1）校时功能：增加一个校时键，增加4个时、分预置初值按键分别用来调整时、分的各位，这一步由读者自己完成。（2）闹钟功能：即增加一个闹钟功能键，同时运用校时功能中用到的4个铵键来设置输入闹钟时间。假如当前时间与设置的闹钟时间相同，则扬声器发出蜂鸣声。（3）思索对于随意系统频率，比如6MHz或者256Hz，如何获得100Hz的百分秒频率。下面给出将256Hz转换成为100Hz的一种实现代码，读者也可以接受其他方法实现。7.6VerilogHDL状态机A/D采样限制电路实现设计要求：理解驾驭ADC0809芯片的工作时序要求；要求接受状态机来设计实现对A/D转换器ADC0809的采样限制电路。7.6VerilogHDL状态机A/D采样限制电路实现图7-29ADC0809工作时序7.6VerilogHDL状态机A/D采样限制电路实现图7-30限制ADC0809采样的状态图7.6VerilogHDL状态机A/D采样限制电路实现图7-32采样限制模块内部结构图7.6VerilogHDL状态机A/D采样限制电路实现图7-33引脚锁定7.6VerilogHDL状态机A/D采样限制电路实现扩展部分：（1）在本试验的基础上，增加存储器用于存储AD转换后的数据，设计一个简易存储示波器。（2）若不接受集成电路芯片ADC0809，可否接受比较器和D/A器件实现A/D转换功能。请查阅相关资料，并给出电路设计。7.7交通限制器设计设计要求：实现一个常见的十字路口交通灯限制功能。一个十字路口的交通灯一般分为两个方向，每个方向具有红灯、绿灯和黄灯3种。具体要求如下：（1）十字路口包含A、B两个方向的车道。A方向放行1分钟（绿55s，黄5s），同时B方向禁行（红60s）；然后A方向禁行1分钟（红60s），同时B方向放行（绿灯55s，黄灯5s），以此类推，循环往复。（2）实现正常的倒计时功能，用2组数码管作为A和B两个方向的倒计时显示。（3）当遇特殊状况时，可通过按hold键来实现特殊的功能。使A、B方向的红灯亮并且警告灯不停闪烁；计数器停止计数并保持在原来的状态；特殊状况处理完毕后可通过按hold键使交通灯正常运行，并正常计数。（4）系统已有时钟为64Hz。7.7交通限制器设计图7-34交通限制器模块框图7.7交通限制器设计图7-35仿真波形图7.7交通限制器设计图7-36仿真微小环节（部分仿真图）7.7交通限制器设计图7-37引脚锁定7.7交通限制器设计扩展部分：交叉路口困难多样，因此交通限制器设计也会变更多端。请依据周边的实际交叉路口状况，设计相应的交通限制器。比如，可以考虑在每个方向增加一个左转向灯。7.8空调限制器设计设计要求：（1）接受按键1/2设定温度；通过按键8设定2种工作方式：手动和自动；按键7（正反转，高电平正转低电平反转）、6（停止）在手动方式下限制电机。并将温度设定值在数码管7和8上显示出来。（2）接受A/D的一个通道（可调电阻）作为温度传感器，检测环境温度（0-42℃）。并在数码管上1和2上显示出来。（3）限制直流电机正转、反转和停止。且正转模拟加热装置制热，反转模拟压缩机制冷；停止模拟既不制热也不制冷。接受流水灯指示电机的正、反转和停的状态。即：正转时，流水灯运动方向从左向右；反转时，流水灯运动方向从右向左；停止时，流水灯熄灭。（4）限制温度精度为±1℃。即当限制器设定在自动（AUTO）模式下，当环境温度低于设定温度1℃时，电机正转——制热；当环境温度高于设定温度1℃时，电机反转——制冷；当环境温度在设定温度±1℃范围之内时，电机停转。7.8空调限制器设计图7-38空调限制模拟系统整体框图7.8空调限制器设计图7-39空调限制器的仿真波形7.8空调限制器设计图7-40引脚锁定7.8空调限制器设计扩展部分：考虑为空调限制器增加风扇转速显示和限制功能。在空调限制系统中，风扇转速确定了温度变更的快慢，是空调限制器中的一个比较重要的限制变量。7.9饮料自动售卖机设计设计要求：（1）自动售饮料机。假定该自动售饮料机仅供应一种饮料，每盒售价为1.5元，该机器上有铵键，按下后表示购买该饮料；（2）投币器只能接受1元硬币和5角硬币；（3）具有找零功能，即只找赎5角；（4）有两个输出口，一个输出饮料，另一个输出找零；在输出饮料和找零时，运用两个指示灯，分别用于提示用户取走饮料和找零；（5）在界面上显著位置显示投币总额和找零值。7.9饮料自动售卖机设计图7-41状态图7.9饮料自动售卖机设计图7-43仿真结果7.9饮料自动售卖机设计图7-44引脚锁定7.9饮料自动售卖机设计扩展部分：（1）为本设计添加一个退出购买按钮：按动此钮，则将已投钱币全额退出。（2）本设计每次仅购买饮料的数量为1，同时供应饮料和找赎功能；请在本设计的基础上，增加一次可购买的饮料数量为N的功能。（3）本饮料自动售卖机仅供应一种饮料；请在本设计的基础上，将可供应的饮料种类为两种，每种饮料每盒售价为1.5元和2.5元，在相应的饮料下方有铵键。7.10小结在本章，我们探讨了以下学问点：本章重点介绍了跑马灯限制器8位数码扫描显示电路数控分频器乐曲硬件演奏电路数字跑