电子系统设计——第4章数字系统设计(讲稿)

1TM成都理工大学工程技术学院电子信息工程系《电子系统设计》第4章数字系统设计授课人：石坚（讲师）2TM2《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚本章学习的意义和方法CPLD/FPGA的应用在当前非常广泛全面,其发展势头迅猛,掌握其设计此其时也基于CPLD/FPGA的数字系统有助于同学自主创新能力的提高掌握CPLD/FPGA数字系统的设计方法有助于同学们为将来选定发展方向掌握数字系统设计应采用循序渐进的方式，结合实验开发板的设计，由硬到软进行3TM3《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚Altera公司器件系列简介4TM4《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚Altera公司器件性能对照表5TM5《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚1、MAX7128开发板的设计及应用硬件配置：a)EPM7128Sb)MAX232c)AT24C02d)4*4矩阵按键e)8段数码管f)蜂鸣器g)拨码开关h)LED灯i)40M晶振6TM6《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚可完成以下实验内容：7TM7《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚.NC1GND2OUT3VCC4U10ACTIVE_CRYSTAL+5V有源晶振40MHz40MHzC221uSJ1SW-PBR3510KRST上电及按键复位电路VCCDGNDRSTDGNDPTCKPTDO123456789101112131415J24CON1512345678910111213J25CON1312345678910111213141516J26CON16IO12VCCIO13(3)IO/(TDI)14IO15IO16IO17IO18GND19IO20IO21IO22(3)IO(TMS)23IO24IO25VCCIO26IO27IO28IO29IO30IO31GND32IO33IO34IO35IO36IO37VCCIO38IO(1)39IO40IO41GND42VCCINT43IO44IO45IO(1)46GND47IO48IO49IO50IO51IO52VCCIO53IO54IO55IO56IO57IO58GND59IO60IO61IO/(TCK)(3)62IO63IO64IO65VCCIO66IO67IO68IO69IO70IO/(TDO)(3)71GND72IO73IO74IO75IO76IO77VCCIO78IO/(1)79IO80IO81GND82INPUT/GCLK183INPUT/OE184INPUT/GLCRn1INPUT/OE2(0GLCK2)(2)2VCCINT3IO4IO5IO(1)6GND7IO8IO9IO10IO11EPM7128PU9EPM7128DGNDVCC12345678910111213141516J27CON16PTDIPTMS12J20CON2AA1AA2AA3AA4AA5AA6AA7AA8AA9AA10AA11AA12AA13AA14AA15AA16AA1AA2AA3AA4AA5AA6AA7AA8AA9AA10AA11AA12AA13AA14AA15AA16BB1BB2BB3BB4BB5BB6BB7BB8BB9BB10BB11BB12BB13BB14BB15BB1BB2BB3BB4BB5BB6BB7BB8BB9BB10BB11BB12BB13BB14BB15CC1CC2CC3CC4CC5CC6CC7CC8CC9CC10CC11CC12CC13CC1CC2CC3CC4CC5CC6CC7CC8CC9CC10CC11CC12CC13DD1DD2DD3DD4DD5DD6DD7DD8DD9DD10DD11DD12DD13DD14DD15DD16DD1DD2DD3DD4DD5DD6DD7DD8DD9DD10DD11DD12DD13DD14DD15DD16（1）核心电路（包括复位和时钟电路）原理图8TM8《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（2）电源电路EPM7128SLC84-15采用5V供电，其I/O口电平与5V电平兼容。采用AS1117将7.5V输入电压转化为5V电压供给系统。使用电源一定要注意使用内正外负的电源。9TM9《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（3）LED灯电路LED灯电路属于板内资源，要使用它，需要将内外资源切换开关按下并把JP2短接。LED灯的阳极接电源，阴级接CPLD的I/0口，因此是低电平驱动，只要由CPLD在相应引脚给出低电平，LED就会发光。10TM10《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：跑马灯clkrstdataout[11..0]ledwaterinst11TM11《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：跑马灯12TM12《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（4）8段数码管电路13TM13《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示就是每个数码管的8段输入各自分开，其COM口电平一直有效。它的优点是控制方便，显示稳定，但要占用较多的I/O口。动态显示的原理是：各个数码管的段输入相应位接在一起，共同占用8位数据线；公共端分开，利用扫描和人视觉上的短暂停留性，依次给出各个数码管COM端使能信号，并同时给出各数码管的数据。它的优点是占用I/O口少，但控制较静态显示复杂。一般在数码管较多的情况下都采用动态显示。（4）8段数码管电路14TM14《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：7段数码管15TM15《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：7段数码管16TM16《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：7段数码管17TM17《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（5）矩阵键盘电路1．等待按键并识别按键位置：按一定的频率用低电平循环扫描行线Y0-Y3，同时检测列线的状态，一旦判断有一列为低则表示有键被按下，停止扫描并保持当前行线的状态，再读取列线的状态从而得到当前按键的键码。2．等待按键弹起：检测到各列线都变成高点平后，重新开始扫描过程，等待下一次按键。18TM18《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：矩阵键盘19TM19《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：矩阵键盘20TM20《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：矩阵键盘21TM21《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL源代码：矩阵键盘22TM22《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（6）拨码开关开发板上设计了一组8位的拨码开关，ON为低电平，OFF为高电平。拨码开关可供用户输入一些高低电平。23TM23《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（7）蜂鸣器蜂鸣器使用很方便，电流通过时蜂鸣器发出响声。如图可见，只要将蜂鸣器与CPLD相连的I/O口P12置为低电平，就可以驱动蜂鸣器发声。24TM24《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（8）I2C接口的E2PROMAT24C02AT24C02开发板上的AT24C02是一个I2C接口的256Bytes的E2PROM存储器。用户可以根据开发板上的实验例程熟悉I2C总线的协议和CPLD读写E2PROM存储器的操作。25TM25《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。I2C总线特点26TM26《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚I2C总线在传送数据过程中共有四种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号、应答信号和数据信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。控制单元向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，控制单元接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，可判断为受控单元出现故障。数据信号和应答信号都必须在SCL为低电平时变化，在SCL为高电平时保持数据稳定。总线的构成及信号类型27TM27《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（9）RS232电路RS232是一种串行通信接口标准。RS232电平标准与CPLD不兼容，因此使用一块MAX232进行电平转换。可以参考实验例程安排的一个简单的CPLD和PC进行串口通信的程序，以了解串口通信的基本方法。28TM28《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（10）LCD接口电路液晶模块也是一种显示器件，具有显示形式丰富，显示质量高，接口简单，体积小重量轻，功耗小的特点。液晶显示模块根据显示方式和内容的不同可以分为，数显液晶模块，液晶点阵字符模块和点阵图形液晶模块三种。1602是一种液晶点阵字符模块。1602操作非常方便，带有内置的192中字符，用户还可定义8个5*8点阵字符或4个5*11点阵字符。显示时只要按照其时序要求初始化好显示方式，并把要显示的数据写入相应的位置RAM就可以。29TM29《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚（11）并口下载器电路1A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19U1474HC24411421531641751861972082192210231124122513J29DB25R8100R9100R11100R15100R642.2kR13100R10100R12100R14100R18100R17100R16100R20100R19100R622.2kR632.2kR602.2kR612.2kBVCCBVCCBVCCBVCCR592.2kVCCR281KR301KR291KVCCR271KPTMSPTDIPTCK1234567891011121314151617181920JP14HEADER10X2PTDODGNDBDGNDBDGNDBDGNDBDGND30TM30《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL基本结构简单归纳（1）实体说明举例：多路选择器的实体说明31TM31《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL基本结构简单归纳（2）结构体举例：多路选择器的结构体32TM32《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL时序电路的描述（3）简单时序电路的VHDL描述D触发器33TM33《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL基本语句归纳（4）IF语句概述34TM34《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL基本语句归纳（5）CASE语句应用要点35TM35《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL基本语句归纳（6）条件信号赋值语句归纳异或门举例说明：36TM36《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL基本语句归纳（7）选择信号赋值语句归纳异或门举例说明：37TM37《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚VHDL基本语句归纳（8）进程语句归纳其余归纳请参看：《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚2、EP1K30TC1