1、沈阳理工大学学士学位论文I摘 要VHDL(即超高速集成电路硬件描述语言)是随着可编程逻辑器件(PLD)的发展而发展起来的一种硬件描述语言，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，是电子设计自动化(EDA)的关键技术之一。它采用一种自上而下(top-down)的设计方法，即从系统总体要求出发，自上至下地逐步将设计内容细化，如划分为若干子模块，最后完成系统硬件的整体设计。它支持设计库和可重复使用的元件生成，支持阶层设计，提供模块设计的创建。VHDL 设计技术对可编程专用集成电路(ASIC)的发展起着极为重要的作用。本电压表的电路设计正是用 VHDL 语言完成的，完成电压数据的采集、转换、处理
2、、显示。此次设计主要应用的软件是美国 ALTERA 公司自行设计的一种 Quartus 。本次所设计的电压表的测量范围是 05V，精度为 0.02V。关键词：电子设计自动化；VHDL；A/D 采集；数字电压表 沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractVHDL (i.e., ultra high speed integrated circuit hardware description language) is with the development of programmable logic devices (PLD) and developed a kind of hardware d
3、escription language, is mainly used to describe the structure of the digital system, behavior, function and interface of electronic design automation (EDA) is one of the key technologies. It uses a top-down design method, namely from the overall system requirements, from top to down gradually to ref
4、ine design content, such as divided into sub modules, finally completed the overall design of the system hardware. It supports design library and reusable components to generate, support the class design, module design creation. VHDL design technology of programmable application-specific integrated
5、circuit (ASIC) plays a very important role in the development.The circuit of the design that use VHDL language to complete ,the voltmeter can complete collection of voltage data,conversion,treatment and display.The this time design is primarily the applied software is Quartus . which is made by the
6、United States ALTERA company.This systems range is -5v to +5v and precision is 0.02v.Keywords: Electronic Design Automation ;VHDL;A/D Acquisition digital voltage 沈阳理工大学学士学位论文III目 录1 绪论 .11.1 课题背景和意义 .11.2 FPGA 设计特点 .11.3 FPGA 设计流程 .21.4 硬件描述语言 VHDL.31.4.1 VHDL 的发展 .31.4.2 VHDL 的特点 .41.5 VHDL 语言的设计流程
7、 .51.6 Quartus II 开发平台简介 .51.6.1 Quartus 软件介绍 .51.6.2 Quartus 设计输入 .61.6.3 文本设计输入方式 .61.6.4 Quartus II 设计仿真 .82 设计任务与要求 .123 设计方案 .134 各器件的选择 .154.1 A/D 转换器 ADC0809 控制电路 .154.1.1 ADC0809 的功能介绍 .154.1.2 ADC0809 引脚介绍 .164.1.3 ADC0809 芯片的控制方法及转换过程 .164.2 BCD 码 .184.2.1 BCD 码的介绍 .184.2.2 BCD 码的运算 .194.3
8、 译码，显示电路 .195 功能模块 .205.1 ADC0809（ad） .205.2 Dataprocess .235.3 Leddisplay.275.4 顶层模块设计 .29沈阳理工大学学士学位论文IV结 论 .31致 谢 .32参考文献 .33附录 A 英文原文 .34附录 B 汉语翻译 .45沈阳理工大学学士学位论文11 绪论1.1 课题背景和意义随着信息技术获得了突飞猛进的发展，信息技术渗透了我们生活的几乎全部领域，改变着人类的生存状态和思维模式。而我们的课题所涉及的电子设计自动化（EDA）技术就是在这种时代背景下产生的，并影响巨大 1-3。FPGA 是新型的可编程逻辑器件，与传
9、统 ASIC 相比，具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进 等优点，特别适合于产品的样品开发和小批量生产。传统的数字电压表多以单片机为控制核心，芯片集成度不高，系统连线复杂，难以小型化，尤其在产品需求发生变化时，不得不重新布版、调试，增加了投资风险和成本 4。而采用 FPGA 进行产品开发，可以灵活地进行模块配置，大大缩短了开发周期，也有利于数字电压表向小型化、集成化的方向发展。 随着电子技术的发展，当前数字电子系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。推动该潮流发展的引擎就是日趋进步和完善的 ASIC 设计技术。目前数字系统的设计可以直接面向用户需求，根据系统的行为
10、和功能的要求，自上而下的完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直接生成器件。上述设计过程除了系统行为和功能描述以外，其余所有的设计几乎都可以用计算机来自动完成，也就说做到了电子设计自动化（EDA）这样做可以大大的缩短系统的设计周期，以适应当今品种多、批量小的电子市场的需求 5,6。伴随着集成电路(IC)技术的发展，电子设计自动化(EDA)逐渐成为重要的设计手段，己经广泛应用于模拟与数子电路系统等许多领域。目前电子技术的发展主要体现在 EDA领域,数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。电子设计自动化是近几年迅速发展起来的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子设
11、计学科 7,11。其中 EDA 设计语言中的 VHDL 语言是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述、电路合成、电路仿真等三大电路设计工作。本电压表的电路设计正是用 VHDL 语言完成的。此次设计主要应用的软件是美国 ALTERA 公司自行设计的Quartus II8。沈阳理工大学学士学位论文21.2 FPGA 设计特点FPGA 设计的特点如下：（1）硬件设计软件化这是 FPGA 开发的最大优势。传统硬件电路设计先要进行功能设计，然后进行电路板级设计并做称电路板后进行调试，如果电路中有什么错误，整个电路板都将作废，这是很不经济的。FPGA 的开发在功能层面上可以完全脱离硬件而在 EDA 软
12、件上做软仿真。当功能确定无误后可以进行硬件电路板的设计。最后将设计好的，由 EDA 软件生成的烧写文件下载到配置设备中去，进行在线调试，如果这时的结果与要求不一致，可以立即更改设计软件，并再次烧写到配置芯片中而不必改动外接硬件电路。（2）高度集成化，高工作频率一般的 FPGA 内部都集成有上百万的逻辑门，可以在其内部规划出多个与传统小规模集成器件功能相当的模块。这样将多个传统器件集成在同一芯片内部的方法不但可以改进电路板的规模，还可以减少 PCB 布线的工作。由于各个模块都是集成在 FPGA 芯片内部，这就很大程度地解决了信号的干扰问题，使得 FPGA 的工作频率可以大幅度的提高。另外，一般的
13、 FPGA 内部都有 PLL 倍频的时钟，这进一步解决了电磁干扰和电磁兼容问题 9,10。（3）支持多种接口FPGA 芯片可支持多种标准的接口电平，可通过 EDA 开发工具来选定采用什么样的接口标准，包括常用的 TTL 和差分输入等。这便于后端各种不同接口电路的匹配。1.3 FPGA 设计流程可编程逻辑器件的设计是利用 EDA 开发软件和编程土具对器件开发的过程。它包括设计准备、设计输入、功能仿真、设计处理、时序仿真和器件编程及测试等六个步骤。（1）设计准备在系统设计之前，首先要进行方案论证、系统设计和器件选择等准备工作。一般采用自上而下的设计方法，也可采用传统的自下而上的设计方法。（2）设计
14、输入设计输入将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机的过程称为设计输入。设计输入通常有以下集中形式：沈阳理工大学学士学位论文31)原理图输入方式2)硬件描述语言输入方式3)波形输入方式（3）功能仿真功能仿真也叫做前仿真。用户所设计的电路必须在编译之前进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延时信息，对于初步的功能检测非常方便。仿真中如发现错误，则返回设计输入中修改逻辑设计。（4）设计处理设计处理是器件设计中的核心环节。在设计处理过程中，编译软件将对设计输入文件进行逻辑化简、综合优化和适配，最后产生编程用的编程文件。主要有： 1) 语法检查和设计规则检查2)逻辑优化和综合3)适
15、配和分割4)布局和布线（5）时序仿真时序仿真又称后仿真或延时仿真。由于不同器件的内部延时不一样，不同的布局布线方案也给延时造成不同的影响，因此在设计处理以后，对系统和各模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计设计的性能，以及检查和消除竟争冒险等是非常有必要的。（6）器件编程测试时序仿真完成后，软件就可产生供器件编程使用的数据文件。1.4 硬件描述语言 VHDL1.4.1 VHDL 的发展VHDL 的英文全名是 VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language。VHDL 是 20 世纪 80 年代中期，由美
16、国国防部资助的 VHSIC 项目开发的产品。VHDL 于 1987 年由国际标准化组织 IEEE（IEEE STD 1076_1987）所确认。1993 年，IEEE 1076 标准被升级、更新，新的 VHDL 标准为 IEEE STD 1076_1993。1996 年，IEEE 1076.3 成为 VHDL 综合标准。VHDL 的语法丰富、数据沈阳理工大学学士学位论文4类型繁多，是描述能力很强的的一种硬件描述语言，能在高层次上以系统的行为进行描述和仿真。VHDL 非常适用于可编程逻辑器件的应用设计，并正在得以普及。目前，几乎所有的 EDA 厂商出品的 EDA 软件都兼容这种标准。硬件描述语言
17、(hardware description language,HDL)是电子系统硬件行为描述,结构描述,数据流描述的语言.目前,利用硬件描述语言可以进行数字电子系统的设计.随着研究的深入,利用硬件描述语言进行模拟电子系统设计或混合电子系统设计也正在探索中。国外硬件描述语言种类很多,有的从 Pascal 发展而来,也有一些从 C 语言发展而来.有些 HDL 成为 IEEE 标准 ,但大部分是企业标准.VHDL 来源于美国军方,其他的硬件描述语言则多来源于民间公司.可谓百家争鸣,百花齐放.这些不同的语言传播到国内,同样也引起了不同的影响.在我国比较有影响的有两种硬件描述语言:VHDL 语言和 Ve
18、rilog HDL 语言 .这两种语言已成为 IEEE 标准语言 12,15。1.4.2 VHDL 的特点VHDL 描述能力非常强。它比其他的 HDL 有更高层次的描述。甚至在有时描述过程中中有算法的描述，而无硬件的痕迹。因此，VHDL 在 CPLD/FPGA 的应用方面较为广泛；VHDL 可以用比较少的篇幅将一个复杂的问题描述得很清楚。同时，VHDL指令代码多，数据类型丰富，既有可以用于仿真系统的指令，又有可用于综合的语句。因此 VHDL 使用起来非常灵活。可以说，在几种硬件描述语言中，VHDL 是描述能力最强的一种语言。与其他硬件描述语言相比，VHDL 具有以下特点：1）功能强大：灵活性高
19、：VHDL 具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来进行复杂控制逻辑的设计。同时 VHDL 还支持层次化的设计，支持系统元件库和用户设计的元件库。目前，VHDL 已成为一种设计、仿真、综合的标准硬件描述语言。2）器件无关性：VHDL 允许使用者在进行设计时，不需要首先选择一个具体的器件。对于同一个设计描述，可以采用多种不同的器件结构来实现其功能。因此，在设计描述阶段，设计者可以集中精力于从事设计构思和优化。当设计、仿真通过后，在指定具体的器件综合、适配即可。3）可移植性：VHDL 是一种标准语言，故采用 VHDL 进行的设计可以被不同的EDA 工具所支持。可以从一个仿真工具移植到另一个
20、仿真工具，可以从一个综合工具沈阳理工大学学士学位论文5移植到另一综合工具，也可以从一个工作平台移植到另一个工作平台。在一个 EDA 工具中采用的技术技巧在其他工具中同样可以采用。4）自顶向下的设计方法：自顶向下的设计方法是将要设计的电路进行最顶层的描述，然后利用 EDA 软件进行顶层仿真，如果顶层设计的仿真以满足要求，则可以继续将顶层划分的模块进行低一级的划分并仿真，这样一级一级的设计最终将完成整个电路的设计。5）数据类型丰富：作为硬件描述语言的一种，VHDL 数据类型丰富。除了 VHDL自身预定的 10 中数据类型外在 VHDL 程序设计中还可以由用户自定义数据类型。特别是 std_logi
21、c 数据类型的使用，使得 VHDL 能最真实地模拟电路中的复杂信号。6）建模方便：由于 VHDL 中可综合的语句和用于仿真的语句齐备，行为描述能力强，因此 VHDL 特别适合信号建模。目前支持 VHDL 的综合器能对复杂的算数描述进行综合（如 Quartus 2.0 以上的版本都能对 std_logic_vector 类型的数据进行加、减、乘、除），因此对于复杂电路的建模，VHDL 无论仿真还是综合都是非常合适的描述语言。7）运行库和程序包丰富：目前支持 VHDL 的程序包很丰富，大多以库的形式存放在特定的目录下，用户可随时调用。在 CPLD/FPGA 综合时，还可以使用 EDA 软件商提供的
22、各种库和程序包。而且用户利用 VHDL 编写的各种成果都可以以库的形式存放，在后续的设计中可以继续使用 13,14。1.5 VHDL 语言的设计流程采用 VHDL 语言设计硬件电路系统的设计流程一般可以分为以下几个步骤。硬件电路系统设计要求的定义。编写描述硬件电路系统功能的 VHDL 语言程序。VHDL 语言程序的模拟。VHDL 语言的综合、优化和布局布线。布局布线后的设计模拟。器件的编程。设计人员在从事硬件电路系统的合计过程中，编写 VHDL语言程序之前必须对硬件电路系统的设计目的和设计要求有一个非常明确的认识才行17。沈阳理工大学学士学位论文61.6 Quartus II 开发平台简介 1
23、.6.1 Quartus 软件介绍Quartus II 是 Altera 提供的 FPGA/CPLD 开发集成环境，Altera 是世界最大可编程逻辑器件供应商之一。Quartus II 在 21 世纪初推出，是 Altera 前一代 FPGA/CPLD 集成开发环境 MAX+plus II 的更新换代产品，其界面友好，使用便捷。在 Quartus II 上可以完成设计输入、HDL 综合、布线布局（适配）、仿真和下载和硬件测试等流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。1.6.2 Quartus 设计输入Quartus II 的设计过程主要由设计输入、设计编译、设计仿真和器件编程 4 部分组成。Quartus II 软件的基本设计流程如图 1.1 所示。原理图设计输入新项目建立建立设计文件文本设计输入分析&综合布局布线时序分析 修改错误编程下载仿真全程编译设计成功有错有错无错有错无错
