北邮数字电路与逻辑设计实验实验报告下.docx

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北邮数字电路与逻辑设计实验实验报告下

北京邮电大学电路实验中心

<数字电路与逻辑设计实验（下）>

实

验

报

告

班　　级：

xxx

学　　院：

xxx

实验室：

xxx

审阅教师：

姓名（班内序号）：

xxx

学　　号：

xxx

实验时间：

xxx

评定成绩：

目录

一、任务要求2

1．基本要求2

2．提高要求2

二、系统设计2

1．设计思路2

2．总体框图4

3．分块设计5

（1）分频器模块5

（2）4×4键盘输入模块5

（3）数码管显示模块6

（4）8×8LED点阵显示模块6

（5）LCD液晶屏显示模块6

（6）中心模块6

三、仿真波形及波形分析6

1．分频器模块6

2．4×4键盘输入模块7

3．数码管显示模块7

4．8×8LED点阵显示模块8

5．LCD液晶屏显示模块8

6．中心模块8

四、源程序9

1．分频器模块9

2．4×4键盘输入模块9

3．数码管显示模块11

4．8×8LED点阵显示模块12

5．LCD液晶屏显示模块19

6．中心模块23

五、功能说明及资源利用情况26

六、故障及问题分析27

七、总结和结论27

一、任务要求

本电路可供甲乙二人进行猜拳游戏。

通过不同的按键控制，选择多种出拳方式，显示猜拳的结果，实现猜拳游戏，防止了作弊的可能。

1．基本要求

1、甲乙双方各用4×4键盘中的三个按键模拟“石头”、“剪刀”、“布”，一个按键为“确认”。

4×4键盘第一行为甲，第二行为乙；

2、裁判用4×4键盘第三行的一个按键模拟“开”，一个按键为“准备”，一个按键为“复位”；

3、裁判宣布“准备”后，甲乙双方分别选择出拳方式并确认；

4、裁判“开”以后，用点阵的左右三列同时显示甲乙双方的猜拳选择（如下图所示），并用两个数码管显示甲乙的猜拳比分；

图1甲“布”，乙“剪刀”；甲“剪刀”，乙“石头”

5、猜拳游戏为五局三胜制。

若甲乙双方出拳一致，则比分保持不变，双方重新出拳；

6、比赛结束后，用8×8点阵显示甲乙获胜方；

7、复位后游戏重新开始。

2．提高要求

1、点阵显示增加游戏开机动画、结束动画；

2、为游戏增加音效；

3、在LCD1602液晶屏上显示甲乙双方的猜拳比分；

4、自拟其他功能。

二、系统设计

1．设计思路

本电路分为6个模块，分别是中心模块（包含状态机）、8×8LED点阵显示模块、数码管显示模块、LCD液晶屏显示模块、4×4键盘输入模块、分频器模块，各模块使用VHDL语言设计，顶层连接使用QuartusII原理图设计。

分频器模块负责将50MHz时钟分成低频信号，供其他模块使用。

中心模块负责读取4×4键盘输入模块的输入，并控制状态机和其他模块的输出显示。

8×8LED点阵显示模块负责接收中心模块的信号，显示相应的图案。

数码管显示模块和LCD液晶屏显示模块负责接收中心模块的信号，显示比分。

4×4键盘输入模块负责读取键盘输入，并将其输出到中心模块。

2．总体框图

图2系统流程图

图3逻辑框图

图4BDF原理图

3．分块设计

（1）分频器模块

输入clkin为50MHz时钟，输出clkout为1KHz时钟，作为中心模块、8×8LED点阵显示模块、数码管显示模块、4×4键盘输入模块的时钟信号。

（2）4×4键盘输入模块

4×4键盘输入模块负责读取键盘输入，并将其输出到中心模块。

输出KBcol为4位二进制信号，是键盘的遍历扫描信号。

输入KBrow为4位二进制信号，是键盘的检测信号。

输出resultout为5位二进制信号，是4×4键盘输入模块所检测出的所按的按键，其中第一位代表键盘按下，后四位用二进制数表示所按的按键。

（3）数码管显示模块

数码管显示模块负责接收中心模块的信号，显示比分。

输入A、B分别为2位二进制信号，代表甲、乙的得分。

输出cat为8位二进制信号，控制8个数码管的使能端。

输出disp为7位二进制信号，控制数码管所显示的图案。

（4）8×8LED点阵显示模块

8×8LED点阵显示模块负责接收中心模块的信号，显示相应的图案。

输入A、B分别为2位二进制信号，代表甲、乙的出拳结果，其中“11”表示甲或乙获胜，显示结束动画。

输入en为点阵的使能端，start为开机动画控制信号。

输出row为8位二进制信号，是点阵的扫描信号。

输出colr为8位二进制信号，是红色点阵的数据信号。

输出colg为8位二进制信号，是绿色点阵的数据信号。

（5）LCD液晶屏显示模块

LCD液晶屏显示模块负责接收中心模块的信号，显示比分。

时钟clk直接使用50MHz信号。

输入rst为LCD液晶屏模块的复位信号，输入A、B分别为2位二进制信号，代表甲、乙的得分。

输出rs、en、rw、data_out为LCD液晶屏的控制和数据信号。

（6）中心模块

中心模块负责读取4×4键盘输入模块的输入，并控制状态机和其他模块的输出显示。

输入KB为5位二进制信号，是4×4键盘输入模块所检测出的所按的按键。

输出LEDen控制LED点阵模块的使能端，LEDstart为LED点阵模块的开机动画控制信号。

输出LEDA、LEDB分别为2位二进制信号，代表甲、乙的出拳结果，其中“11”表示甲或乙获胜，显示结束动画。

输出DISPA、DISPB分别为2位二进制信号，代表甲、乙的得分。

三、仿真波形及波形分析

1．分频器模块

分频比太大，不易仿真。

2．4×4键盘输入模块

图54×4键盘输入模块仿真

模块为时钟下降沿有效，resultout[4]为有按键按下的信号，resultout[0..3]为按下的按键。

仿真中遍历了所有按键的情况，在resultout中对应有16~31的所有情况（没有按顺序）。

在中心模块编写时，考虑了防抖的问题，检测到按下多次按键与按下一次按键的效果相同，所以在此模块中没有必要加入防抖。

3．数码管显示模块

图6数码管显示模块仿真

时钟clk为‘0’时，DISP7点亮，显示甲的得分，时钟clk为‘1’时，DISP6点亮，显示乙的得分。

输入A、B遍历了甲、乙得分的所有结果，对应disp为数码管的显示，‘~’状态表示0分，‘0’状态表示1分，‘m’状态表示2分，‘y’状态表示3分。

4．8×8LED点阵显示模块

图78×8LED点阵显示模块仿真

此模块状态太多，只仿真了部分状态。

输入A、B的‘0’-‘2’状态分别代表石头、剪刀、布，‘3’状态代表甲或乙获胜。

输出colr为甲的出拳结果，colg为乙的出拳结果。

5．LCD液晶屏显示模块

此模块使用50MHz信号，不易仿真。

实现功能与数码管显示模块类似。

6．中心模块

图8中心模块仿真

此模块状态太多，只仿真了部分状态。

仿真中模拟按下了3个按键，第一个是裁判的“准备”键，按键抬起后结束开机动画，进入选手输入状态，LEDen和LEDstart都变为‘0’。

第二个是乙按下“剪刀”（甲默认出“布”），按键抬起后LEDB的信号发生变化。

第一个是裁判的“开”键，按键抬起后结算双方出拳结果，给乙+1分（DISPB），同时显示双方出拳结果，LEDen变为‘1’。

四、源程序

1．分频器模块

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

entityfenpinqi12is

port（clkin:

instd_logic;--时钟信号输入

clkout:

outstd_logic）;--时钟信号输出

endfenpinqi12;

architecturearoneMHZoffenpinqi12is

signaldata:

integerrange0to24999;

signalQ:

std_logic;

begin

process（clkin）

begin

ifrising_edge（clkin）then--检测输入时钟上升沿

if（data=24999）then--此句为你想要的分频比，data=0,1,2,3,4.......9的分频比为1,2，3，，,10

data<=0;

Q<=notQ;

else

data<=data+1;

endif;

endif;

clkout<=Q;

endprocess;

endaroneMHZ;

2．4×4键盘输入模块

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYKBcontrollerIS

PORT（

clk:

INSTD_LOGIC;--时钟

KBcol:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（0TO3）;--扫描信号

KBrow:

INSTD_LOGIC_VECTOR（0TO3）;--检测信号

resultout:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（4DOWNTO0）--检测结果

）;

ENDKBcontroller;

ARCHITECTUREbehavioralOFKBcontrollerIS

signaltemp:

INTEGERRANGE0TO3;

signalresult:

STD_LOGIC_VECTOR（4DOWNTO0）;

BEGIN

P1:

PROCESS（temp）

BEGIN

IF（clk'eventandclk='0'）THEN

CASEtempIS--检测键盘输入结果

WHEN0=>

CASEKBrowIS

WHEN"0111"=>result<="11111";

WHEN"1011"=>result<="11110";

WHEN"1101"=>result<="11101";

WHEN"1110"=>result<="11100";

WHENOTHERS=>result<="00000";

ENDCASE;

WHEN1=>

CASEKBrowIS

WHEN"0111"=>result<="11011";

WHEN"1011"=>result<="11010";

WHEN"1101"=>result<="11001";

WHEN"1110"=>result<="11000";

WHENOTHERS=>result<="00000";

ENDCASE;

WHEN2=>

CASEKBrowIS

WHEN"0111"=>result<="10111";

WHEN"1011"=>result<="10110";

WHEN"1101"=>result<="10101";

WHEN"1110"=>result<="10100";

WHENOTHERS=>result<="00000";

ENDCASE;

WHEN3=>

CASEKBrowIS

WHEN"0111"=>result<="10011";

WHEN"1011"=>result<="10010";

WHEN"1101"=>result<="10001";

WHEN"1110"=>result<="10000";

WHENOTHERS=>result<="00000";

ENDCASE;

WHENOTHERS=>NULL;

ENDCASE;

ENDIF;

resultout<=result;

ENDPROCESSP1;

P2:

process（clk）

begin

IF（clk'eventandclk='1'）THEN--模4计数器，对应键盘的4列

IFtemp=3THEN

temp<=0;

ELSE

temp<=temp+1;

ENDIF;

ENDIF;

ENDPROCESSP2;

P3:

process（temp）

begin

CASEtempIS--键盘扫描输出

WHEN0=>KBcol<="1110";

WHEN1=>KBcol<="1101";

WHEN2=>KBcol<="1011";

WHEN3=>KBcol<="0111";

WHENOTHERS=>KBcol<="1111";

ENDCASE;

ENDPROCESSP3;

ENDbehavioral;

3．数码管显示模块

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYDISPshowIS

PORT（

clk:

INSTD_LOGIC;--时钟

A:

INSTD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;--甲的得分

B:

INSTD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;--乙的得分

disp:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（0To6）;--显示内容

cat:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））;--数码管使能

ENDDISPshow;

ARCHITECTUREbehavioralOFDISPshowIS

BEGIN

P3:

process（clk,A,B）

variabledispA:

STD_LOGIC_VECTOR（0To6）;

variabledispB:

STD_LOGIC_VECTOR（0To6）;

begin

CASEAIS--将甲得分变为数码管显示信号

WHEN"00"=>dispA:

="1111110";--0

WHEN"01"=>dispA:

="0110000";--1

WHEN"10"=>dispA:

="1101101";--2

WHEN"11"=>dispA:

="1111001";--3

WHENOTHERS=>dispA:

="0000000";

ENDCASE;

CASEBIS--将乙得分变为数码管显示信号

WHEN"00"=>dispB:

="1111110";--0

WHEN"01"=>dispB:

="0110000";--1

WHEN"10"=>dispB:

="1101101";--2

WHEN"11"=>dispB:

="1111001";--3

WHENOTHERS=>dispB:

="0000000";

ENDCASE;

CASEclkIS--时钟为‘0’时显示甲，时钟为‘1’时显示乙，相当于扫描

WHEN'0'=>disp<=dispA;cat<="01111111";

WHEN'1'=>disp<=dispB;cat<="10111111";

WHENOTHERS=>disp<="0000000";cat<="11111111";

ENDCASE;

ENDPROCESSP3;

ENDbehavioral;

4．8×8LED点阵显示模块

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYLEDshowIS

PORT（

clk:

INSTD_LOGIC;--时钟

en:

INSTD_LOGIC;--使能端

A:

INSTD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;--甲的出拳

B:

INSTD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;--乙的出拳

start:

INSTD_LOGIC;--开始动画控制

colr:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--红色数据信号

colg:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--绿色数据信号

row:

OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））;--扫描信号

ENDLEDshow;

ARCHITECTUREbehavioralOFLEDshowIS

signaltemp:

INTEGERRANGE0TO8;

signaltemp1:

INTEGERRANGE0TO5;

signaldata:

integerrange0to249;

signalclk_2Hz,Q:

STD_LOGIC;

signalA0:

STD_LOGIC_VECTOR（0to7）;

signalA1:

STD_LOGIC_VECTOR（0to7）;

signalA2:

STD_LOGIC_VECTOR（0to7）;

signalA3:

STD_LOGIC_VECTOR（0to7）;

signalA4:

STD_LOGIC_VECTOR（0to7）;

signalA5:

STD_LOGIC_VECTOR（0to7）;

signalA6:

STD_LOGIC_VECTOR（0to7）;

signalA7:

STD_LOGIC_VECTOR（0to7）;

signalB0:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

signalB1:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

signalB2:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

signalB3:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

signalB4:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

signalB5:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

signalB6:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

signalB7:

STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;

BEGIN

P1:

PROCESS（clk_2Hz）

BEGIN

ifstart='0'then

ifA="00"then--甲出布

A0<="00000000";A1<="00000000";A2<="11100000";A3<="11100000";

A4<="11100000";A5<="11100000";A6<="00000000";A7<="00000000";

elsifA="01"then--甲出剪刀

A0<="00000000";A1<="00000000";A2<="00100000";A3<="11000000";

A4<="11000000";A5<="00100000";A6<="00000000";A7<="00000000";

elsifA="10"then--甲出石头

A0<="00000000";A1<="00000000";A2<="01000000";A3<="11100000";

A4<="11100000";A5<="01000000";A6<="00000000";A7<="00000000";

else

casetemp1is--甲获胜，显示动画

when0=>--显示“甲”

A0<="11111110";

A1<="10010010";

A2<="11111110";

A3<="10010010";

A4<="11111110";

A5<="00010000";

A6<="00010000";

A7<="00010000";

when1=>--显示“获”

A0<="00101000";

A1<="11111110";

A2<="10101000";

A3<="01001010";

A4<="10111110";

A5<="01101000";

A6<="10101100";

A7<="01110010";

when2=>--显示“胜”

A0<="11100100";

A1<="10110100";

A2<="11111111";

A3<="10100100";

A4<="11111111";

A5<="10100100";

A6<="10100100";

A7<="10111111";

when3=>--显示笑脸

A0<="00111100";

A1<="01000010";

A2<="10000001";

A3<="10100101";

A4<="10000001";

A5<="10100101";

A6<="01011010";

A7<="00111100";

when4=>--显示笑脸

A0<="00111100";

A1<="01000010";

A2<="10000001";

A3<="10100101";

A4<="10000001";

A5<="10100101";

A6<="01011010";

A7<="00111100";

when5=>--显示空白

A0<="00000000";A1<="00000000";A2<="00000000";A3<="00000000";

A4<="00000000";A5<="00000000";A6<="00000000";A7<="00000000";

whenothers=>NULL;

endcase;

endif;

ifB="00"then--乙出布

B0<="00000000";B1<="00000000";B2<="00000111";B3<="00000111";

B4<="00000111";B5<="00000111";B6<="00000000";B7<="0000