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1、EDA综合设计与实践一、设计目的与要求II软件的使用方法与系统总体设计。2.学会设计较复杂的数字系统，用Verilog HDL描述语言编写设计代码，并综合仿真验证设计，用FPGA试验箱验证设计。3.学习FPGA试验箱的使用，各种电路图的引脚接法及其功能。4.本实验要求学生以FPGA器件为目标器件，设计典型的数字系统。本设计选题为交通灯控制系统设计。二、设计方案：方案一：（1）明确系统的功能图1-1所示为位于主干道与支干道的十字路口交通灯系统，支干道两边是安装传感器S，要求优先保证主干道的畅通。平时处于主干道绿灯、支干道红灯的状态。当支干道有车时，传感器发出信号S=1，主干道绿灯先转换成黄灯再转
2、换成红灯，支干道由红灯转换为绿灯，支干道绿灯亮不超过30s，主干道每次通行不少于60s（在此期间，不管S是否有信号，都不改状态）。（2）画状态转换图说明：1）Tl：主干道绿灯亮的最短时间间隔，不少于60s；2）Ts：支干道绿灯亮的最长时间间隔不多于30s。3）Ty：主干道或支干道黄灯亮的时间间隔为5s4）HR、HY、HG分别表示主干道红黄绿灯；5）FR、FY、FG分别表示支干道红黄绿灯。注：H表示Header，F表示Follower，R表示Red，Y表示Yellow，G表示Green交通灯控制单元控制过程分四个阶段：分别用S0，S1，S2，S3表示：S0：主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时若支干
3、道有车等待，且主干道已亮足时间Tl，则控制器发出状态转换信号，输出从S0转换到S1。S1：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，进入此状态，黄灯亮足规定时间间隔Ty时，控制器发出状态转换信号St，输出从此状态S1到S2。S2：支干道绿灯亮，主干道红灯亮，若此时支干道继续有车，则继续保持此状态，但支干道绿灯亮时间不超过Ts时间间隔，否则控制单元发出状态转换信号St，使输出转换到S3状态。S3：支干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时状态与S1状态持续时间间隔相同，均为Ty，时间到时，控制器发出St信号，输出从状态S3回到S0状态。对四种状态用格雷码编码分别为00,01,11,10。由此得图1-2交通灯控制单元状态
4、图。方案二：本方案相对上一个方案加入了人工监督，且采用模块化设计。（1）明确系统的功能，进行逻辑抽象如图2-1本方案可实现在确定时刻，倒计数数字显示能够及时变化，红黄绿灯能准确变化，考虑到实际应用，加入人工监督功能，当固定开关SW=0时，实现交警人为控制交通秩序，当SW=1时，为自动控制模式，默认为SW=1。本设计采用模块化设计，图2-2为本设计十字路口交通等系统的层次结构框图。(2)模块功能说明1.主控制模块control：控制系统输入输出之间联系。2.倒计时模块时间选择模块couterselect：选择不同的倒计时时间。3.倒计时时间驱动模块scan：驱动倒计时时间长短选择模块电路。4.数
5、码管分时显示模块datamux，倒计时间分时送入用于显示。5.倒计55s模块counter55，55s为绿灯点亮时间。6.倒计5s模块counter5,5s为黄灯点亮时间。7.顶层模块trafficlight，连接各模块设计，使之成为一个有机体。前6个模块分别进行仿真测试，成功后把所有.v文件包含在工程trafficlight，实现模块化设计。三、特殊要求（需要实验室提供的仪器设备、元器件与材料）PC机，windows系统，Quartus II 4.0软件，基于Cyclone型EP16Q240C8的实验箱。四、设计及仿真综合两个方案考虑，方案二比较实用，但因为方案一容易实现，所以一开始做了方案
6、一的设计，后来有时间，又完成了方案二。具体如下设计。方案一：（1）代码见附录1。（2）仿真结果及数据处理：分析说明：全局复位R=1无效，进入系统工作，先是主干道绿灯亮足60个时钟周期，因S=1，支干道有车等待，转入主干道黄灯亮5个时钟周期，然后进入支干道绿灯亮，30个时钟周期内支干道没车等待，所以S=0时转入主干道绿灯亮状态。通过仿真，可以看出本设计的逻辑上时序上是正确的。图1-3 方案一设计Functional仿真图1-3 方案一设计Timing仿真图1-3 方案一设计RTL（3）下载测试编程下载与硬件测试的步骤如下：1、 打开下载窗口。选择菜单“Tool“项的”programmer“,便可
7、打开下载窗口。2、 设置下载电缆。将ByteBlaster电缆的一端与微机的并行口相连，另一端10针插头与装有目标器件的PCB板上的插座相连。并在”Hardware Setup”中设置下载电缆。3、设置JTAG链。Altera器件基本都支持JTAG在系统编程方式，这种方式简单易行，不需要专门的编程器。4、（见附录3）如图1-4分配引脚，并编译后，把生成*.sof文件下载到基于Cyclone型EP16Q240C8的FPGA实验箱开发板上，成功查看结果，CLK时钟频率用1Hz，可通过实验箱上“键3”控制Reset全局复位，用“键5”可模拟传感器S的输入。图1-4 配置引脚方案二（1）代码见附录2。
8、（2）各模块RTL电路及功能仿真、时序仿真各模块分别建立工程文件，并进行功能仿真、时序仿真，前六个模块成功编译，得到正确仿真结果后，建立顶层模块。1） 模块一：控制模块（control.v）图2-3 控制模块RTL图2-4 控制模块control的Functional仿真图2-5 控制模块control的Timing仿真2）模块二：5s倒计时模块（counter5.v）图2-6 5s倒计时模块RTLunctional仿真分析说明：通过功能仿真，可以看出5s倒计时模块不存在逻辑上错误，可以通过；通过时序仿真，可以看到结果存在毛刺，但是结合实际应用，可以接受，所以通过这一模块的设计。3）模块三：5
9、5s倒计时模块（counter55.v）图2-9 55s倒计时unctional仿真分析说明：通过功能仿真与时序仿真，可以看出55s倒计时模块不存在逻辑、时序上错误，所以通过这一模块的设计。4）模块四：倒计时选择（couterselect.v）unctional仿真分析说明：D_OUT1选择高位输出，用于选择驱动55秒倒计时计时器，分别在状态输入为“00”“10”这两种状态，即对应的绿灯时间，输出高电平，实现55秒倒计时计数器D_OUT0：时间低位输出，用于选择驱动5秒倒计时计时器，分别在输入为“01”“11”时，即对应黄灯点亮时间，输出高电平，实现5秒倒计时。通过功能仿真与时序仿真，可以看出
10、倒计时选择模块不存在逻辑、时序上错误（虽然时序仿真有毛刺显现，但是结合实际应用，可以接受），所以通过这一模块的设计。5）模块五：数据选择显示（datamux.v）图2-15 数据选择显示RTLunctional仿真分析说明：倒计时模块主要完成的工作是：倒计时长短时间选择的功能，输入信号来自两个倒计时模块counter55与counter5，当倒计数完成时产生一个脉冲用于驱动此模块产生00，01，10，11序列来驱动倒计时时间模块选择。D_in1：高位驱动信号，来源于55秒计时到信号，当计数器计时完成后，产生这个信号驱动状态变化。D_in0：低位驱动信号，来源于5秒计时到信号，当计数器计时完成后
11、，产生这个脉冲来驱动状态的变化。通过功能仿真与时序仿真，可以看出数据选择显示模块不存在逻辑、时序上错误（虽然时序仿真有毛刺显现，但是结合实际应用，可以接受），所以通过这一模块的设计。6）模块六：时间选择驱动（scan.v）图2-18 时间选择驱动scan.v的RTLunctional仿真图2-20分析说明：此模块用于驱动倒计时时间长短选择。模块七：顶层模块（trafficlight.v）图2-21 方案二设计RTL图2-22 方案二设计的Functional仿真（SW=1，自动控制模式）图2-23 方案二设计的Functional仿真（SW=0，人工监督模式）图2-24 方案二设计的Timin
12、g仿真（SW=1，自动控制模式）图2-25 方案二设计的Timing仿真（SW=0，人工控制模式）分析说明：建立trafficlight项目，并设计顶层模块trafficlight.v，成功编译。通过功能仿真与时序仿真，可以看出本设计已经成功完成。达到目标：实现在确定时刻，倒计数数字显示能够及时变化，红黄绿灯能准确变化，当固定开关SW=0时，实现交警人为控制交通秩序，当SW=1时，为自动控制模式，默认为SW=1。（3）下载测试编程下载与硬件测试的步骤如下：1、 打开下载窗口。选择菜单“Tool“项的”programmer“,便可打开下载窗口。2、 设置下载电缆。将ByteBlaster电缆的一
13、端与微机的并行口相连，另一端10针插头与装有目标器件的PCB板上的插座相连。并在”Hardware Setup”中设置下载电缆。3、设置JTAG链。Altera器件基本都支持JTAG在系统编程方式，这种方式简单易行，不需要专门的编程器。（见附录3），如图2-26分配引脚，并编译后，把生成*.sof文件下载到基于Cyclone型EP16Q240C8的FPGA实验箱开发板上，成功查看结果，CLK时钟频率用1Hz，可通过实验箱上“键7”控制Reset全局复位，用“键8”可控制SW选择自动模式或人工监督模式。图2-26五、设计总结经过此次课程设计，可以说收获良多，现总结为以下几点：1、熟悉掌握了Qua
14、rtus这个软件。虽然上课时候已经看教师展示过这个软件的用法，但是没有亲力亲为始终对这个软件的掌握是很不够的。此次通过设计以上两个方案，我对Quartus II这个软件已经掌握的比较好了。2、通过以上两个方案的设计，我对正规的设计流程已经有了深刻的体会，相信以后遇到这种设计可以自如地应对了。可以设计遇到中案的设计够3、通过设计代码过程中遇到编译错误的问题，经过一次次的排错，我对Verilog HDL描述语言的掌握得到一定的锻炼。4、设计工程中，让我感慨最多的是功能仿真与时序仿真，通过看仿真图，理解系统运行，优化系统，这是一个艰巨的任务，也是一个最有意义的任务。因为这一步的工作，我们不仅要把原理
15、理解透彻，而且要联系FPGA试验箱开发板，所以对开发板的各种工作模式也要理解。5、由于试验箱有限，所以我是提前一天在实验室试验过程序的了。很多同学在答辩当天才下载程序试验，结果很多完成不了。下载到板上，也出现了一些问题，如引脚接错，选用模式不对，还有就是实验箱坏了。通过认真的思考，最终完成测试。附录1本系统采用用硬件描述语言Verilog HDL描述。分为四部分，第一部分定义系统输入输出及所用寄存器。第二部分，控制单元状态转换的描述。第三部分，定时器工作的描述。第四部分，输出译码电路的描述。module Traffic(CLK,S,RESET,HG,HY,HR,FG,FY,FR);/第一部分，
16、定义输入输出端口，以及系统内部信号变量及其类型input CLK,S,RESET;output HG,HY,HR,FG,FY,FR;reg HG,HY,HR,FG,FY,FR;reg 3:0TimerH,TimerL;wire T1,Ts,Ty;reg St;reg 1:0CurrentState,NextState;/对状态进行编码parameter S0=2b00, S1=2b01,S2=2b11, S3=2b10;/第二部分，控制单元状态转换的描述always(posedge CLK or negedge RESET) begin if(RESET) CurrentState = S0;
17、 else CurrentState = NextState; end always(S or CurrentState or T1 or Ts or Ty) begin case(CurrentState) S0:begin NextState = (T1 & S)?S1:S0; St = (T1 & S)?1:0; end S1:begin NextState = (Ty)?S2:S1; St = (Ty)?1:0; end S2:begin NextState = (Ts | S)?S3:S2; St = (Ts | S)?1:0; end S3:begin NextState = (T
18、y)?S0:S3; St = (Ty)?1:0; end endcase end /第三部分，定时器工作的描述always(posedge CLK or negedge RESET) begin if(RESET) TimerH,TimerL = 8b0; else if(St) TimerH,TimerL = 8b0; else if(TimerH=5)&(TimerL=9) begin TimerH,TimerL = TimerH,TimerL; end else if(TimerL=9) begin TimerH = TimerH + 1; TimerL = 8b0; end else
19、begin TimerH = TimerH; TimerL = TimerL+1; end end assign Ty = (TimerH=0)&(TimerL=4); assign Ts = (TimerH=2)&(TimerL=9); assign T1 = (TimerH=5)&(TimerL=9);/第四部分，输出译码电路的描述always(CurrentState) begin case(CurrentState) S0:begin HG,HY,HR = 3b100; /主干道绿灯亮 FG,FY,FR = 3b001; /支干道红灯亮 end S1:begin HG,HY,HR =
20、3b010; /主干道黄灯亮 FG,FY,FR = 3b001; /支干道绿灯亮 end S2:begin HG,HY,HR = 3b001; /主干道红灯亮 FG,FY,FR = 3b100; /支干道绿灯亮 end S3:begin HG,HY,HR = 3b001; /主干道红灯亮 FG,FY,FR = 3b010; /支干道黄灯亮 end endcase end endmodule/*程序结束*/附录2模块一：/* 主控制模块control.v */module control(EN_in,RST,SW1,Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1,Green2)
21、;/定义输入输出口output Red1;output Red2;output Yellow1;output Yellow2;output Green1;output Green2;input 1:0 EN_in;input SW1;input RST;/定义数据类型reg Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1,Green2,D_out;always (EN_in,RST,SW1) /always语句实现交通灯的总体工作控制begin /系统复位 if(SW1=0|RST=0) Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1,Green2=6b0;
22、 else /系统自动运行 begin case(EN_in) 2b00:Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1,Green2 = 6b010010; /方向1绿灯亮，方向2红灯亮 2b01:Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1,Green2 = 6b011000; /方向1黄灯亮，方向2红灯亮 2b10:Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1,Green2 = 6b100001; /方向1红灯亮，方向2绿灯亮 2b11:Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1,Green2 = 6b100
23、100; /方向1红灯亮，方向2黄灯亮 default:Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1,Green2 = 6b0; /方向1方向2等全灭 endcase endendendmodule模块二：/*5秒的倒计时模块counter5.v*/module counter05(C_CLK,RST,C_EN,D_OUT1,D_OUT0,C_OUT);/输出输入的定义output C_OUT;output 3:0 D_OUT1,D_OUT0;input C_CLK;input RST;input C_EN;/数据类型定义reg 3:0 D_OUT1,D_OUT0;reg
24、C_OUT;reg 3:0 CData1,CData0;reg 7:0 DATA;always (posedge C_CLK) /always 语句块实现5秒自动循环倒计数，用加计数器 begin /系统复位或者未工作 if(RST=0|C_EN=0) begin C_OUT = 1b0; CData1 = 4b0000; CData0 = 4b0000; end else begin if(CData0 != 4b0101) begin CData0 = CData0 + 4b0001; C_OUT = 1b0; end else /防止生成锁相环 begin CData1 = 4b0000
25、; CData0 = 4b0000; C_OUT = 1b1; end end endalways /加计数器的计数值到倒计时的数值转换 begin DATA = 8b00000101 - (CData14) + CData0); D_OUT1 4b0101) D_OUT0 = DATA & 4b1111 - 4b1011; else D_OUT0 = DATA & 4b1111; endendmodule/*5秒的倒计时模块counter5.v*/模块三：/*55秒的倒计时模块counter55.v*/module counter55(C_CLK,RST,C_EN,D_OUT1,D_OUT0
26、,C_OUT);/输出输入的定义output C_OUT;output 3:0 D_OUT1, D_OUT0;input C_CLK,RST,C_EN;/数据类型定义reg 3:0 D_OUT1,D_OUT0;reg C_OUT;reg 3:0 CData1,CData0;reg 7:0 DATA;always (posedge C_CLK) /always 语句块实现55秒自动循环倒计数，用加计数器 begin /系统复位或者未工作 if(RST=0|C_EN=0) begin C_OUT = 1b0; CData1 = 4b0000; CData0 = 4b0000; end /加计数器
27、else begin if(CData0 = 4b0101 & CData1 = 4b0101) begin CData1 = 4b0000; CData0 = 4b0000; C_OUT = 1b1; end else if(CData0 != 4b1001) begin CData0 = CData0 + 4b0001; C_OUT = 1b0; end else if(CData0 = 4b1001 & CData1 != 4b0101) begin CData1 = CData1 + 4b0001; CData0 = 4b0000; C_OUT = 1b0; end else /防止生
28、成锁相环 begin CData1 = 4b0000; CData0 = 4b0000; C_OUT = 1b1; end end endalways /加计数器的计数值到倒计时的数值转换 begin DATA = 8b01010101-(CData14) & 4b1111) 4b0101) D_OUT1 4) & 4b1111 - 4b1111; else D_OUT1 4) & 4b1111; if(DATA&4b1111)4b1001) D_OUT0 = DATA & 4b1111 - 4b0110; else D_OUT0 = DATA & 4b1111; endendmodule/*
29、55秒的倒计时模块counter55.v*/模块四：/*倒计时时间选择模块模块couterselect.v*/module couterselect(D_IN,D_OUT1,D_OUT0);/输入输出端口定义output D_OUT1;output D_OUT0;input 1:0 D_IN;/数据类型定义reg D_OUT1;reg D_OUT0;always begin case(D_IN) 2b00:D_OUT1,D_OUT0 = 2b10; 2b01:D_OUT1,D_OUT0 = 2b01; 2b10:D_OUT1,D_OUT0 = 2b10; 2b11:D_OUT1,D_OUT0
30、= 2b00; default:D_OUT1,D_OUT0 = 2b00; endcase endendmodule/*倒计时时间选择模块模块couterselect.v*/模块五：/*倒计时时间选择输出显示模块datamux.v*/module datamux(D_IN3,D_IN2,D_IN1,D_IN0,SEL,D_OUT1,D_OUT0);/输入输出端口定义output 3:0 D_OUT1;output 3:0 D_OUT0;input 3:0 D_IN3;input 3:0 D_IN2;input 3:0 D_IN1;input 3:0 D_IN0;input 1:0 SEL;/数
31、据类型定义reg 3:0 D_OUT1;reg 3:0 D_OUT0;always begin case(SEL) 2b00: begin D_OUT0 = D_IN0;D_OUT1 = D_IN1; end 2b01: begin D_OUT0 = D_IN2; D_OUT1 = D_IN3; end 2b10: begin D_OUT0 = D_IN0; D_OUT1 = D_IN1; end 2b11: begin D_OUT0 = D_IN2; D_OUT1 = D_IN3; end default:begin D_OUT0 = 4b0000;D_OUT1 = 4b0000; end
32、endcase endendmodule/*倒计时时间选择输出显示模块datamux.v*/模块六：/*倒计时时间选择驱动模块sc*/module scan(EN_in1,EN_in0,sdata);/输入输出端口定义output 1:0 sdata;input EN_in1;input EN_in0;/数据类型定义reg 1:0 sdata;wire EN_in;assign EN_in = EN_in1 | EN_in0;always (posedge EN_in)begin sdata = sdata + 1b1; endendmodule模块七：/*顶层模块trafficlight.v
33、*/module trafficlight(Reset,SW,CLK,Red1,Red2,Yellow1,Yellow2,Green1, Green2,D_OUT1,D_OUT0);/输入输出端口定义input Reset;input SW;input CLK;output Red1;output Red2;output Yellow1;output Yellow2;output Green1;output Green2;output 3:0 D_OUT1;output 3:0 D_OUT0;/数据类型定义reg 3:0 D_OUT1;reg 3:0 D_OUT0;wire SYNTHESIZ
34、ED_WIRE_0;wire SYNTHESIZED_WIRE_1;wire SYNTHESIZED_WIRE_2;wire SYNTHESIZED_WIRE_3;wire 3:0 SYNTHESIZED_WIRE_4;wire 3:0 SYNTHESIZED_WIRE_5;wire 3:0 SYNTHESIZED_WIRE_6;wire 3:0 SYNTHESIZED_WIRE_7;wire 1:0 SYNTHESIZED_WIRE_8;/倒计时选择驱动scan U0(.EN_in1(SYNTHESIZED_WIRE_0),.EN_in0(SYNTHESIZED_WIRE_1),.sdata
35、(SYNTHESIZED_WIRE_8);/5秒倒计时counter5 U1(.C_CLK(CLK),.RST(Reset),.C_EN(SYNTHESIZED_WIRE_3),.D_OUT1(SYNTHESIZED_WIRE_7), .D_OUT0(SYNTHESIZED_WIRE_6),.C_OUT(SYNTHESIZED_WIRE_1);/55秒倒计时counter55 U2(.C_CLK(CLK),.RST(Reset),.C_EN(SYNTHESIZED_WIRE_2),.C_OUT(SYNTHESIZED_WIRE_0), .D_OUT0(SYNTHESIZED_WIRE_4),.
36、D_OUT1(SYNTHESIZED_WIRE_5);/5秒倒计时与55秒倒计时选择，实现交通灯不同状态切换couterselect U3(.D_IN(SYNTHESIZED_WIRE_8),.D_OUT1(SYNTHESIZED_WIRE_2), .D_OUT0(SYNTHESIZED_WIRE_3);/交通灯信号控制control U4(.SW1(SW),.RST(Reset),.EN_in(SYNTHESIZED_WIRE_8),.Red1(Red1), .Red2(Red2),.Yellow1(Yellow1),.Yellow2(Yellow2),.Green1(Green1),.Gr
37、een2(Green2);/多路选择datamux U5(.D_IN0(SYNTHESIZED_WIRE_4),.D_IN1(SYNTHESIZED_WIRE_5), .D_IN2(SYNTHESIZED_WIRE_6),.D_IN3(SYNTHESIZED_WIRE_7), .SEL(SYNTHESIZED_WIRE_8),.D_OUT0(D_OUT0),.D_OUT1(D_OUT1);endmodule/*顶层模块trafficlight.v*/附录3实验电路结构图NO.6结构图上的信号名PIO0-7PIO813PIO16-23PIO24-30PIO32-38PIO40-46对应芯片的引脚号23324014，6,7