北京邮电大学课程设计报告 数字逻辑.pdf

北京邮电大学课程设计报告注：评语要体现每个学生的工作情况，可以加页。课程设计 名称蛉蹦 学院计算机指导教师班级班内序号学号学生姓名成绩杨杨陈陈金金课程设计内容教学目的：掌握isp LEVER软件的使用方法，掌握isp器件的使用方法，用VHDL进 行较复杂逻辑电路的设计和调试，熟练掌握isp器件的下载方法。基本内容：1.交通灯控制 2.电子钟显示3.药片装瓶系统实验方法：先用VHDL进行软件编程，然后下载到ISP器件，进行硬件仿真实验。组员分工：详见各实验报告实验分工。学生 课程设计 报告（附页）课程设计成绩评定遵照实践教学大纲并根据以下四方面综合评定成绩：1、课程设计目的任务明确，选题符合教学要求，份量及难易程度2、团队分工是否恰当与合理3、综合运用所学知识，提高分析问题、解决问题及实践动手能力的效果4、是否认真、独立完成属于自己的课程设计内容，课程设计报告是否思路清晰、文字通顺、书写规范评语：成绩：指导教师签名：年 月 日目录实验一：交通灯控制器设计.实验二：电子钟设计.实验三：药片装瓶系统设计.附：数字逻辑课程设计调试日志及个人心得体会.实验一：交通灯控制器设计一、实验目的学习采用状态机方法设计时序逻辑电路。掌握ispLEVER软件的使用方法。掌握用VHDL语言设计数字逻辑电路。掌握ISP器件的使用。二、实验所用器件和设备在系统可编程逻辑器件ISP1032 一片示波器 一台万用表或逻辑笔 一只TEC-5实验系统，或TDS-2B数字电路实验系统 一台三、实验内容以实验台上的4个红色电平指示灯，4个绿色电平指示灯模仿路口的东南西北4个方向的红，绿,黄交通灯。控制这些交通灯，使它们按下列规律亮，灭。(1)初始状态为4个方向的红灯全亮，时间1s。(2)东，西方向绿灯亮，南，北方向红灯亮。东，西方向通车，时间5s。(3)东，西方向黄灯闪烁，南，北方向红灯，时间2s。(4)东，西方向红灯亮，南，北方向绿灯亮。南，北方向通车，时间5s。(5)东，西方向红灯闪烁，南，北方向黄灯闪烁，时间2s。(6)返回(2),继续运行。(7)如果发生紧急事件，例如救护车，警车通过，则按下单脉冲按钮，使得东，南，西，北四个 方向红灯亮。紧急事件结束后，松开单脉冲按钮，将恢复到被打断的状态继续运行。四、设计思路(1)将本实验分为分频，状态计数器，led输出三大模块；(2)分频模块需要注意到占空比，采用when-else语句；(3)状态计数器都分为5s,2s,5s,2s,四个状态时间，通过计数器作状态转移；(5)led输出模块的黄灯闪烁可通过2HZ的方波信号实现。(6)选择实验台上的5kHz频率时钟，作为设计中分频的初始时钟。(5)紧急事件发生时，要注意保存必要的信息，已被紧急事件结束后，恢复到原状态继续运行使 用。紧急怙况控制时钟 信号 5KHz复位五、设计方案交通灯模块图1、tralight(顶层模块代码)library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity tralight isport(clk,emg:in stdjogic;-5KHZ 时钟输入，紧急输入tout:out std_logic_vector(ll downto 0);-12 盏 led 灯输出tout2,toutl:out std_logic_vector(3 downto 0)；“倒计时 end tralight;architecture top of tralight iscomponent fenpin-分频模块port(clkin:in stdjogic;-5KHZ 时钟输入clkoutl:out stdjogic;-1HZ 时钟clkout2:out stdjogic);-2HZ 时钟 end component;component ztjishuqi-状态计数器模块port(emgl,clkl:in stdogic;-紧急输入，1HZ 时钟输入stateout:out std_logic_vector(l downto 0);-2 位状态输出 daoout2,daooutl:out std_logic_vector(3 downto 0);一倒计时end component;component led-led交通灯显示模块port(emg2,clk2:in stdjogic;-紧急输入,2HZ时钟输入(方波闪烁)statein:in std_logic_vector(l downto 0);-2 位状态输入ledout:out std_logic_vector(ll downto 0);-12 盏 led 灯输出 end component;signal fenpinl:stdjogic;signal fenpin2:stdjogic;signal state:std_logic_vector(l downto 0);beginul:fenpin PORT MAP(clkin=clk,clkoutl=fenpinl,clkout2=fenpin2);u2:ztjishuqi PORTMAP(emgl=emg,clkl=fenpinl,stateout=state,daoout2=tout2,daooutl=toutl);u3:led PORT MAP(emg2=emg,clk2=fenpin2,statein=state,ledout=tout);end;2、fenpin(底层分频模块)library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity fenpin isport(clkin:in stdjogic;-5KHZ 时钟输入clkoutl:out stdjogic;-1HZ 时钟clkoutl:out stdjogic);-2HZ 时钟end fenpin;architecture art of fenpin issignal temp:integer range 0 to 4999;beginprocess(clkin)beginifCclkinevent and clkin=r)thenif(temp=4999)thentemp=0;elsetemp=temp+l;end if;end if;end process;clkoutl=,l,when(temp2500)else O;clkout2=,l,when(temp=2500 and temp3750)else O;end art;3、ztjishuqi(底层状态计数器模块)library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity ztjishuqi isport(emgl,clkl:in stdjogic;一紧急输入，1HZ 时钟输入stateout:out std_logic_vector(l downto 0);-2 位状态输出daoout2,daooutl:out std_logic_vector(3 downto 0);-倒计时end ztjishuqi;architecture art of ztjishuqi issignal temp:integer range 0 to 13;type State IS(s0,sl,s2,s3);signal current_state,next_state:State;beginprocess(emgl,clkl)beginif(emgl=,0,)thenifCclklvent and clkl=,1,)thenif(temp=0)thenstateout=nOOn;temp=temp+l;daoout2=n0100n;daooutl0 and temp=4)thenstateout=M00n;temp=temp+l;daoout2=daoout2-l;daooutl=daooutl-l;elsif(temp=5 or temp=6)thenstateout=n01n;temp=temp+l;daooutl=daooutl-l;elsif(temp=7)thenstateout=n10n;temp=temp+l;daoout2=n0110n;daooutl7 and temp=ll)thenstateout=n10n;temp=temp+l;daoout2=daoout2-l；daooutl=daooutl-l；elsif(temp=12)thenstateout=nlln;temp=temp+l;daoout2=daoout2-l;elsif(temp=13)thenstateout=nlln;temp=0;daoout2=daoout2-l;end if;end if;end if;end process;end art;4、led(底层led输出模块)library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity led isport(emg2?clk2:in stdjogic;-紧急输入,2HZ时钟输入(方波闪烁)，1HZ时钟输入 statein:in std_logic_vector(l downto 0);-2 位状态输入ledout:out std_logic_vector(ll downto 0);-12 盏 led 灯输出end led;architecture art of led isbeginprocess(emg2,statein,clk2)beginif(emg2=*l,)thenledout ledout case clk2 iswhen V=ledout ledout ledout case clk2 iswhen 41=ledout ledout=n001001000000n;end case;end case;end if;end process;end art;六、调试中出现的问题及解决方法在编写交通的的程序的时候，本人没有碰到太大的技术上的问题(因为本身程序的要求比较简单,模块数也不多)。主要的一些碰到挫折的地方有1、方波闪烁问题：在编译成功连上线之后，发现红 绿灯正常，但是黄灯不出现闪烁也不亮。经分析代码后发现，黄灯的信号输入并没有产生方波，而只 是一个一个的脉冲，要产生方波需要信号具有一定的占空比。改进代码后此问题迎刃而解。clkoutl=,r when(temp2500)else O;clkout2=!r when(temp=2500 and tempbegin“|逸emgl=，O)then jclklevent and clkl=T)then。jf(temp=O)then.qratffcniit=,OOM-fpmrx=fpmn-i-1-c在经过一天的编写和调试，交通灯的模型已经达到了老师及课本上的要求。因为其他两名组员暂 时还没有碰到什么问题，我开始着手增加功能的事情。我给交通灯增加了一个倒计时功能，这并不难 实现，只需在状态计数器的后面增加相应的语句，利用七段译码器实现倒计时的实现。beginsclkl)begin ojf(emgl=,0,)then。jftclklevent and clkl=1)then。j(temp=0)then dgateo.ut=,T(X),t:temp=temp+l:daoout20 and temp=4)then感旗j=00：temp=temp+lidaoout2=daoout2-1:daooutl=daooutl-1 册 elsifitemp=5 or temp=6)then。凯8笫=01:temp=temp+l:daoout 1=daoout 1-1版Semp=7)then乩a-=10：temp=temp+l:daoout2=w0110M:daoout 1 7 and temp=ll)thenstateoutc=*10H:temp=temp+l:daoout2=daoout2-1 y daoout 1=daoout 1-154J elsigtemp=12)then。stateoAU=n 11;temp=temp+1:daoout2=daoout2-1#公曲 emp=13)thenSate2Ut=”ll”；temp=0；daoout2dk,low二clkl,coni二timing);一提供脉冲(校时时不提供)u2:clock60 port map(sclr=clr,stiming=con(0),sclk=tclk,clks=clkl,vO=sO,vl=sl,co=cl);u3:clock60 port map(sclr=clr,stiming=con(l),sclk=tclk,clks=cl,v0=m0,vl=ml,co=c2);u4:clock24 port map(hclr=clr,htiming=con(2),hclk=tclk,clkh=c2,yO=hO,Y=hl,co=c,noon=light);u5:ring port map(cclk=clkl,ccl=cl,cc2=c2,loud=speaker);end arc;底层模块clock24,用于时钟计时、校时及显示library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity clock24 isport(clkh,heir,hclk,htiming:in stdjogic;yO:out std_logic_vector(3 downto 0);一个位Y:out std_logic_vector(6 downto 0);“十位co,noon:out std_logic);一进位，上下午灯end clock24;architecture arc2 of clock24 issignal tl,tO:std_logic_vector(3 downto 0);signal bibibi:std_logic;beginbibibi=clkh when(htiming=,0,)else hclk;-判断是否处于校时状态 process(bibibi,hclr)beginif(heir二T)then 一清零to=noooon；tl=n0000n;elsif(bibibivent and bibibi=,l,)thenif(tl=2 and t0=3 and htiming=,0,)then-模 24 进位co=,l,;else co=,0,;end if;-计数器if(t0=9)then to=noooon；tl=tl+l;elsif(tl=2 and t0=3)then to=noooon；tl=n0000n;else to=to+i；end if;-计数器END IF;end process;yO=tO;noon=,l,when(tll or(tl=l and t03)else O;-上午亮灯，下午灯灭Y=n1111110n when tl=n0000n else-0 n0110000n when tl=n0001n else-1n1101101n when tl=n0010n else-2“0000000”；end arc2;底层模块clock60,用于分钟、秒钟的计时与校时library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity clock60 isPort(clks,sclr,sclk,stiming:in stdjogic;vO,vl:out std_logic_vector(3 downto 0);一个位，十位 co:out stdjogic);一进位end clock60;architecture arcl of clock60 issignal tl,tO:std_logic_vector(3 downto 0);signal bibibi:stdogic;beginbibibi=elks when(stiming=,0,)else sclk;process(bibibi,sclr)beginif(sdr=l)then to=noooon；tl=n0000n;elsif(bibibivent and bibibi=,l,)thenif(tl=5 and t0=9 and stiming=,0,)then co=,l,;elseco=,0,;end if;-计数器if(t0=9)then to=noooon；if(tl=5)then tl=n0000n;elsetl=tl+l;end if;elseto=to+i；end if;-计数器end if;end process;vO=tO;vl=tl;end arcl;-判断是否处于校时状态一清零-模24进位底层模块dclk,用于提供1Hz脉冲 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity dclk isport(high,conl:in stdjogic;low:out stdjogic);-coni表示校时按钮-输出1Hz脉冲end dclk;architecture arc2 of dclk issignal temp:integer range 0 to 4999;beginprocess(high,temp,coni)beginif(highvent and high=T and conl=,0,)then-在非校时状态if(temp=4999)then 一分频，将5KHz做一个模5000的计数器输出 temp=0;low=,l,;elsetemp=temp+l;low=,0,;end if;end if;end process;end arc2;底层模块ring,用于整点报时library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity ring isport(cclk,ccl,cc2:in stdjogic;loud:out stdjogic);-响铃end;architecture behavioral of ring issignal count:integer range 0 to 5;signal loudl:std_logic;beginprocess(cclk,ccl,cc2)beginif(cclkvent and cclk=,l,)then响铃if(count5)then count=count+l;loudl=not loudl;-每到一个时钟脉冲，如果count符合条件便开始-响铃维持5秒，这样可做到一声一声地响elseloudl=,0,;end if;end if;if(ccl=,l,and cc2=,l,)then count=0;end if;end process;loud=loudl;end behavioral;一分钟进位的时候count归0六、实验中遇到的主要问题及解决方法问题解决方案如何模拟时钟系统以低位的进位做高位的时钟脉冲（即秒钟进位做分钟的dk,分钟 进位做时钟的elk）如何对应时钟输出由于每个计数器都是采用“个位”和“十位”分别计数，则使该 位连接到相应的灯上输出即可，最高位则使用七段译码器进行转 换，因此增加一个LED的模块实现该功能如何显示上下午两个层面：1.时钟采用24进制计时；2.增加一个管脚连灯，判断 当时钟为0,12区间内则亮灯，否则灭灯。如何提供1Hz的时钟脉冲在dclk模块里做一个模5000的计数器，使得5KHz做输入，进位 做1Hz时钟输出。如何实现校时功能加入一个暂停键和三个控制键，当需要校时的时候则停下时、分、秒的计时，同时选择相应的控制按钮来分别调节时钟，此时的脉 冲由手动掘下QD给出如何实现整点报时采用秒钟的elk做时钟脉冲,每来一个时钟时如果count5,则count 加1同时响铃，否则不响铃。每当有分钟进位的时候，让count=0,贝U count又可以继续计数，再次响铃。具体问题可见调试日志七、层次设计的体会本实验由一个顶层模块clock来整合实现整个时钟系统的所有功能，其下有四个模块：dclk（提供1Hz脉冲），clock24（时钟计数器），clock60（分钟、秒钟计数器），ring（实现整点报 时），其中clock60会在主模块中调用两次，对应不同的参数以分别实现分钟、秒钟的功能。在顶层模块中调用其他底层模块，使得各部分功能并发进行。八、实验分工本实验由陈陈主编，调试及记录文档。实验五：药片装瓶系统设计一、实验目的掌握较复杂逻辑的设计、调试。采用VHDL语言，或原理图+VHDL语言来设计数字系统。学习数字系统设计方法。掌握ispLEVER软件的使用方法。熟悉ISP器件的使用。二、实验所用器件和设备在系统可编程逻辑器件ISP1032 一片示波器 一台万用表或逻辑笔 一只TEC-5实验系统，或TDS-2B数字电路实验系统 一台三、实验内容如图5；左面所示，药片由输送管送入漏斗装置中，后者颈部每次只允许一粒药片掉进传送带上 的瓶子里。漏斗的颈部有一个光传感器，它探测到每一粒药片后产生一个电脉冲信号。这个脉冲传送 到计数器中，使其计数加1,这样在药片装入瓶子过程的任一时刻，计数器都保存着瓶子中药片数量 的二进制数。这个二进制数以计数器通过并行导线传送到比较器的输入端Bo另一方面，每个瓶子中要装入的固定药片数量（例如50片）通过键盘手动设置。按键信号经过 编码器编码后送到寄存器A保存，而代码转换器A将寄存器A中的BCD数变成二进制数送到比较器 输入端A。假设每个瓶子要装50粒药片，当计数器的数值达到50后，比较器的A二B输出端出现高电平，指 示瓶子已装满，立即关闭漏斗颈上的阀门使药片停止下落，与此同时它使传送带移动下一个瓶子到漏 斗的下面。当瓶子到达漏斗颈正下方时，传送带的控制电路产生一个脉冲信号使计数器清0,比较器 A二B输出端变成低电平，打开漏斗阀门，重新开始药片滴落。结合上面的药片装瓶系统设计实例，采用VHDL设计，并用ISP1032E大容量器件实现如图5-2所 示的药片装瓶系统。实验台上的5个数码管作为显示系统，显示每瓶药片及总药片的数量。用实验台的红绿发光二极管来模拟对机电装置系统的输出，绿色灯亮表示启动机电装置，装瓶 进行中；红色灯亮表示装瓶完成，机电装置关闭。输入子系统为包括BCD码每瓶装药数输入与装瓶开始脉冲输入，设计要求每瓶最大药片数50 粒，最多装18瓶。启动装瓶开始脉冲后，如果输入数量超出最大装瓶数或者为零，要求显示系统出现告警提示。漏斗感应器送来的药片装瓶信号用2s信号模拟，可以用实验台提供的5kHz的时钟分频产生。在实验台上调试设计。装瓶开始脉冲Stop红色发光二极管Open绿色发光二极管每瓶药片 BCD55输入药片装瓶系统显示每瓶药片数量传送带步进马达显示药片总数敷传感器送来的 每装一片药的 信号图5-2药片装瓶系统四、设计思路图5-3示出了药片装瓶控制与显示系统的组成总框图，它可以划分为如下七个子系统:为过或（顶层模块）Botsuw（装瓶量计数模块）一Btgujn（单瓶药片计数模块）Divider（分频模块）。tabsunj（翥氏总量计数模块）Chooser（选择器）。装瓶量计数模块用进位来对总瓶数进行计数单瓶药片计数模块用时钟脉冲来对药片数进行计数分频模块对5kHz的脉冲进行分频药片总量计数模块用时钟脉冲来对药片数进行计数选择器模块对开始暂停信号进行判断决定输出瓶数还是当前药片数五、设计方案（代码）library ieee;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_1164.all;entity yaopian is一定义接口port(start,elk,zero:in stdjogic;suminput,botnum:in std_logic_vector(7 downto 0);tabletsum2/tabletsuml/tabletsum0:out std_logic_vector(3 downto 0);warnjightonjightoff:out stdjogic;outsumlfoutsumO:out std_logic_vector(3 downto 0);end;architecture behavioral of yaopian iscomponent divider一分频模块port(clklin:in stdjogic;clklout:out stdjogic);end component;component tabsum药片总数计数模块port(Start2,clk2/zero2:in stdjogic;a,b:out std Jogic;tabletsum22/tabletsum21/tabletsum20:out std_logic_vector(3 downto 0);end component;component btsum一单瓶药片数计数port(start),dk3,zero3:in stdjogic;suminput3:in std_logic_vector(7 downto 0);co3:out stdjogic;outputSl.outputSO:out std_logic_vector(3 downto 0);end component;component botsum一药瓶计数port(Start4/co4,zero4:in stdjogic;output41zoutput40:out std_logic_vector(3 downto 0);botnum4:in std_logic_vector(7 downto 0);warn4:out stdjogic);end component;component chooser选择器port(start5:in stdjogic;botsum51,botsum50,tabletsum51,tabletsum50:in std_logic_vector(3 downto 0);outputSl.outputSO:out std_logic_vector(3 downto 0);end component;signal tempclkftempcoa:stdjogic;signal temptsumltemptsumOempbsumVempbsumO:std_logic_vector(3 downto 0);beginul:divider port mapfclkempclk);u2:tabsum port map(start,tempclk/zerojightonjightoff/tabletsum2/tabletsuml/tabletsum0);u3:btsum port map(start,tempclk,zero,suminput,tempco,temptsuml,temptsumO);u4:botsum port map(start,a,zero,tempbsuml,tempbsumO,botnum,warn);a=tempclk when suminput=l else tempco;u5:chooser port map(start,tempbsuml,tempbsumO,temptsuml,temptsumO,outsuml,outsumO);end behavioral;library ieee;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.stdjogic_1164.all;entity botsum isport(start4/co4,zero4:in stdjogic;output41,output40:out std_logic_vector(3 downto 0);botnum4:in std_logic_vector(7 downto 0);warn4:out stdjogic);end;architecture behavioral of botsum isbeginprocess(co4,zero4,start4)当有进位时药瓶计数beginif(zero4=l)thenoutput41=0000;output40=0000;elsif(co4event and co4=l and start4=l)then-if(output41=1001 and output40=1001)then-output41=0000;-output40=0000;-elsif(output40=1001)then-output41=output41+l;-output40=0000;-else-output40=output40+l;-end if;if(output40=1001)thenoutput40=0000;if(output41=1001)thenoutput41=0000;elseoutput41=output41+l;end if;elseoutput4010001)then-warn4=l;-else-warn4=0;-end if;end if;end process;warn4=botnum4)else超过额定瓶数时报警 O;-process(sum)-begin-if(sum18)then-warn4=l;-else-warn4=0;-end if;-end process;end behavioral;library ieee;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_1164.all;entity btsum isport(start),dk3,zero3:in stdjogic;suminput3:in std_logic_vector(7 downto 0);co3:out stdjogic;outputSl.outputBO:out std_logic_vector(3 downto 0);end;architecture behavioral of btsum is-signal tout31zoutput30:std_logic_vector(3 downto 0);beginprocess(clk3,start3,zero3)当有时钟脉冲时开始计数beginif(zero3=l)thenoutput31=0000;output30=0000;elsif(clk3event and clk3=l and start3=l)then if(output31&output30=(suminput3)then co3=l;output31=0000;output30=0001;elsif(output31&output30(suminput3)thenif(output30=1001)thenoutput31=output31+l;output30=0000;co3=0;elseoutput30=output30+l;co3=0;end if;end if;end if;end process;end behavioral;library ieee;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_1164.all;entity chooser isport(start5:in stdjogic;botsum51,botsum50,tabletsum51,tabletsum50:in std_logic_vector(3 downto 0);outputSlutputSO:out std_logic_vector(3 downto 0);end;architecture behavioral of chooser isbeginprocess(start5)beginif(start5=O)then一暂停时输出瓶数output51=botsum51;output50=botsum50;else计数时输出单瓶药片数output51=tabletsum51;output50=tabletsum50;end if;end process;-output51=botsum51 when start5=O else-tabletsum51;-output50=botsum50 when start5=O else-tabletsum50;end behavioral;library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity divider isport(clklin:in std_logic;clklout:out stdjogic);end;architecture behavioral of divider issignal temp:integer range 0 to 9999;一分频beginprocess(clklin)beginif(clklinevent and clklin=l,)thenif(temp=4999)thenclklout=l;temp=0;elsetemp=temp+l;clklout=0;end if;end if;end process;end behavioral;library ieee;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_1164.all;entity tabsum isport(Start2/clk2/zero2:in stdjogic;a,b:out stdjogic;tabletsum22/tabletsum21,tabletsum20:out std_logic_vector(3 downto 0);end;architecture behavioral of tabsum isbeginprocess(dk2,start2)总药片数计数beginif(clk2event and clk2=l and zero2=l)thentabletsum22=0000;tabletsum21=0000;tabletsum20=0000;a=0;b=l;elsif(clk2event and clk2=,l,and start2=l)thena=l;b=0;if(tabletsum22=1001 and tabletsum21=1001 and tabletsum20=1001)thentabletsum22=0000;tabletsum21=0000;tabletsum20=0000;elsif(tabletsum20=1001 and tabletsum21=1001)thentabletsum22=tabletsum22+l;tabletsum21=0000;tabletsum20=0000;elsif(tabletsum20=1001)thentabletsum21=tabletsum21+l;tabletsum20=0000;elsetabletsum20=tabletsum20+l;end if;elsea=0;b=l;end if;end process;end behavioral;六、调试中出现的问题及解决方法这次实验总体较为简单，总体设计思路和模块划分很清晰