基于FPGA的计时器设计(最终)Word格式文档下载.doc

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基于F

P

G

A

的计时器设计

刘健忠

自动化学院

摘要

随着电子设计自动化技术和可编程逻辑器件的出现和飞速发展，在设计周期得到大大的缩短的同时系统成本也有了大幅度的降低，显然标准逻辑器件的组装已远不能满足这方面的要求。

而VerilogHDL能提供高阶电路描述语言的方式，让复杂的电路可以通过VerilogHDL编辑器的电路合成方式，轻易而且快速的达到设计的规格。

由于VerilogHDL电路描述语言能涵盖的范围相当广，能适用于各种不同阶层的设计工程师的需要，所以VerilogHDL电路设计毫无疑问的成为硬件设计工程师的必备工具。

本系统是用Verilog编写的基于AlteraDE2的电话计费器。

该设计采用了现场可编程逻辑器件FPGA设计，并基于硬件描述语言VerilogHDL在Altera公司的QuartusⅡ软件上实现仿真。

根据电话局反馈回来的信号，此信号是提前预设的，数码管显示通话类型、用户余额以及通话时长（包括秒数和分钟数）。

根据每种通话类型的计费价格不同，当系统所设置的余额数不够，用户将无法拨通电话，当用户余额小于指定金额时，系统发出警告信号，提醒用户。

当告警时间过长（超过1分钟）时自动切断通话信号。

当用户结束通话，系统清零。

关键词：

Verilog，FPGA，通话信号，计时器

Abstract

Withtherapiddevelopmentofelectronicdesignautomationtechnologyandprogrammablelogicdeviceswhichgreatlyshortenthedesignperiodandreducedthecostofthesystematthesametime.Apparently,theassemblyofstandardlogicdevicescannotmeettherequirementsinthisregard.VerilogHDLcanprovidehigh-levelcircuitdescriptionlanguage,whichallowscomplexcircuitbytheVerilogHDLEditorcircuitsynthesismethodaswellbymeetingthedesignspecificationappropriately.VerilogHDLcircuitdescriptionlanguagecoversaverywiderange,whichcanbeappliedtoavarietyofdifferentsectorsoftheneedsofdesignengineers,thecircuitdesignofVerilogHDLwithoutadoubttobecomeanessentialtoolforhardwaredesignengineers.

ThesystemisbasedonAlteraDE2writtenbyVerilogphonedevices.ItisusedbyFieldProgrammableGateArrayFPGAbasedonVerilogHDLhardwaredescriptionlanguagetodesignandAltera'

sQuartusⅡinsoftwareforemulation.Accordingtothefeedbackofthetelephoneofficebacksignalwhichisactuallypre-designed,digitalpipedisplaytype,userbalanceandphonecallduration（includingthenumberofsecondsorminutes）.Dependingonthebillingpriceofeachcalltypeisdifferent,whenabegantobalancethesetisnotenough,theuserwillnotbeabletodialthephone,andwhenthebalanceislessthanthespecifiedmoney,issuingawarningsignalsystem,remindingtousers.Whenthealarmtimeistoolong（morethan1minutes）,theconversationsignalwillbeautomaticallycutoff.Whentheuserendthecall,thesystemwillbereseted.

Keywords：

Verilog,FPGA,Callingsignal,calculagraph

目录

1绪论 1

1.1课题研究的目的 1

1.2国内外发展现状 1

1.3课题的主要技术路线 2

2FPGA技术及硬件描述语言 3

2.1FPGA的介绍 3

2.1.1可编程逻辑器件发展简史 3

2.1.2可编程逻辑器件的基本结构 3

2.1.3可编程逻辑器件分类 4

2.1.4AlteraCycloneⅡ系列器件介绍 5

2.1.5FPGA的开发流程 5

2.2FPGA设计方法 6

2.3利用硬件描述语言（HDL）的硬件电路设计方法 7

2.4VerilogHDL语言的设计流程 8

2.5QuartusⅡ概述及其设计流程 11

2.5.1QuartusⅡ概述 11

2.5.2QuartusⅡ设计流程 12

3系统总体设计 14

3.1计费模块介绍 14

3.2预设模块介绍 15

3.3时钟分频模块介绍 15

3.4分拆模块介绍 15

3.5数码管显示模块介绍 16

3.6警告模块介绍 17

3.7逻辑资源使用情况 17

4 系统的操作与分析 18

4.1 系统功能介绍 18

4.2选择通话类型和设置余额 20

4.3通话开始 21

4.4通话结束 22

结论 23

参考文献 24

致谢 25

附录A 26

附录B 27

附录C 31

附录D 32

附录E 33

附录F 35

附录G 36

1绪论

1.1课题研究的目的

时钟计时器在现在应用场合非常的广泛，近年来，随着科学技术的进步和时代的发展，人们对时钟的功能和精度提出了越来越高的要求，各种时钟的设计也越来越重要。

秒表/时钟计时器是在一种计时器上实现两种基本功能的一种器件。

它广泛应用于各种场所，同时，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化，而受到广大消费者的喜爱。

近年来随着计算机技术的飞速发展，计算机也正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统二个分支。

单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、仪器仪表、工业控制单元以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

同时数模电技术、微电子技术也快速发展使得大量集成芯片出现，从而实现很多简单功能代替了原来的模拟电路。

这样利用单片机、集成芯片和电子电路就可以很方便的进行设计，其中最典型、现在应用也很多的就是电子产品的设计。

本设计就是利用单片机技术将秒表和时钟两种计时器的功能集中到一种计时装置上，从而实现计时器功能的集成化，使其使用起来更加方便。

本设计的一大特点就是在硬件设计中采用实时时钟芯片来实现计时，大大简化了硬件电路，从而使设计更加简便易行。

1.2国内外发展现状

在国外，电子计时器在集成电路发明后，只用短短几年时间就完成了技术飞跃，经过激烈的市场竞争，现在的计时器技术己经相当成熟。

计时器已慢慢地脱离原来的“辅助计时工具的功能定位，正向着多功能化、可编程化方向发展，在各个领域都得到了广泛的应用。

国内也有厂商利用计时器芯片开发新的产品，但对计时器技术的研究、计时器芯片的设计还处于起步阶段。

计时器的主要功能还是在于“计时”，不妨称之为“低档计时器”。

即便是对这种计时器，很多厂商也只从事计时器的设计、销售业务。

1.3课题的主要技术路线

在本次设计基于现场可编程逻辑器件FPGA进行设计，应用硬件描述语言VerilogHDL编程并在Altera公司的QuartusⅡ软件上实现仿真。

需要进行计时功能的实现，

通过拨码开关输入、数码管显示来达成运算目的。

2FPGA技术及硬件描述语言

2.1FPGA的介绍

2.1.1可编程逻辑器件发展简史

随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路逐步发展到今天的专用集成电路（ASIC）。

ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设计的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。

但是ASIC因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。

硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的ASIC并马上投入使用，这是提出可编程逻辑器件的基本思想。

可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。

从早期的只能存储少量数据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（E2PROM），发展到能完成中大规模的数字逻辑功能的可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL），今天已经发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）。

随着工艺技术的发展与市场的需要，超大规模、高速、低功耗的新型FPGA/CPLD不断推陈出新。

新一代的FPGA甚至集成了中央处理器（CPU）或数字处理器（DSP）内核，在一片FPGA上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统（SOPC,SystemOnProgrammableChip）提供了强大的硬件支持。

2.1.2可编程逻辑器件的基本结构

可编程逻辑器件的基木结构如图2.1所示。

由输入控制电路、与阵列、或阵列以及输出控制电路组成。

在输入控制电路中，输入信号经过输入缓冲单元产生每个输入变量的原变量和反变量，并作为与阵列的输入项。

与阵列由若干个与门组成，输入缓冲单元提供的各输入项被有选择地连接到各个与