EDA教学中译码器与显示接口电路的设计

韩铮，于明军

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

摘要：本文利用QuartusⅡ集成开发环境来完成译码器、LCD、流水灯等电路的设计，以FPGA实验开发板为运行载体，FPGA开发板FA280核心器件为Altera CycloneⅡ系列的EP2C8Q208，通过开发板上的USB Blaster将程序下载到开发板，实现VHDL硬件语言设计的译码器、LCD及数码管显示接口电路的运行显示.

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关键词 ：QuartusⅡ；译码器；显示接口

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）05-0059-02

1 引言

在信息时代的今天，科技飞速发展，电子产品更新换代迅速，传统的设计方法再也不能满足市场需求，因此EDA技术在一些电子领域取得了惊人的成绩.当然，紧随科技脚步的高校自然也不会落后，由此EDA技术便在电子信息类专业中发展起来了.但传统的授课方式，让我们只能在课堂上通过老师的讲解来接触到EDA技术，抽象的知识让学生很难去深入理解和探索，这样理论与实践相结合就显得尤为重要了.EDA是将计算机技术应用到电子电路设计中，在QuartusⅡ环境中，运用输入原理图或硬件语言进行编译与仿真的技术.在开发板上可以实现数码管、LCD、流水灯、蜂鸣器等显示和发声的效果.

2 EDA教学实验开发板概述

本文用到的实验板是FPGA开发板FA280，FA280板载有SDRAM，flash以及USB Blaster下载线电路.利用QuartusⅡ集成开发环境来完成前期设计，以FPGA实验开发板为运行载体，来完成VHDL、Verilog HDL等一些硬件语言的运行显示.

FPGA开发板FA280，其核心器件为Altera CycloneⅡ系列的EP2C8Q208，是包含192个引脚，其中I/O口有183个，板载存储器包括SDRAM HY57V641620和Bytes,FLASH AM29LV320，存储空间分别为8M和4MBytes.SDRAM与系统总线速度同步，可避免不必要的等待周期.

接口包括：PS2接口、VGA接口、RS232串口、USB下载接口.开发板具有USB Blaster下载线电路，插上USB线即可进行下载，通过拨动USB下载接口开关选择JTAG或AS下载方式.

显示设备包括6位7段红光数码管，8位绿色LED发光二极管，LCD1602和LCD12864显示屏接口插座.

复位电路由一个复位按键和一个复位芯片组成的，可以将电路恢复到起始状态（相当于清零按钮）.复位芯片为MAX811R，可将输出脉冲宽度为140ms、门限为2.63V的低电平有效复位脉冲信号提供给FA280.

电源部分包括1117-3.3和1117-1.2各一片，从功能板分别引入3.3V和1.2V的直流电源作为EP2C8的核心电源电压，并在核心板上加入滤波电容，以确保芯片和电源系统的稳定性.

其他还包括一个蜂鸣器、4位独立按键、电源插座和开关、SD卡座、扩展总线（GPIO）和有源晶振.

3 EDA技术的应用软件及开发流程

3.1 硬件描述语言VHDL

高级硬件描述语言VHDL已成为IEEE标准，适用于行为级和RTL级的描述，最适于描述电路行为，并在设计时可以不了解电路的结构细节.VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，其设计的基本点是将设计实体分成内、外部分.完整的VHDL程序要包含库、程序包、实体、构造体和配置等部分，它的描述语句和常用语句都有其固定的格式，并且有自己的语法，不允许不同类型的数据在表达式中自由组合.

3.2 开发流程

QuartusⅡ作为一个综合性的开发平台，可以完成多种功能的实现.QuartusⅡ的设计流程：首先输入HDL等形式的设计文本，接着根据设计要求设定编译方式和策略，然后进行设计校验（仿真和定时分析），最后进行编程与验证（将编程文件配置到PLD中）.设计过程中，如果出现错误，则回到设计输入阶段改错，然后重复以上步骤.

设计输入：设计输入可以用HDL方式或原理图录入方式.一般可以使用原理图来设计最顶层，将整个设计的结构描述清楚，具体实现各模块时用HDL.对于HDL方式的设计输入，可以采用Verilog和VHDL，我们这里采用VHDL语言来实现.

综合：综合工具将设计转换成包含逻辑单元和逻辑单元间连接的网表文件.

功能仿真：对已经综合的电路的功能进行验证，功能仿真不涉及任何时序方面的内容.

配置：将综合产生的网络表中的逻辑单元映射到CPLD/FPGA器件中的LE，这里还包含器件中LE间连接和路由的选择.

时序分析和时序仿真：通过分析配置后的电路各个路径上的传输延时，获得电路的性能情况.这里的时序仿真将结合器件时间参数，与前面的功能仿真不同，功能仿真只关注与源程序的逻辑是否正确.

编程：在CPLD/FPGA器件内实现设计，包括逻辑单元和逻辑单元间的连接.

在做一个设计时，通常要对功能进行模块划分，每个模块对应一个源文件，用一个唯一的顶层文件将这些模块源文件组合起来，形成一个整体设计.顶层文件完成模块的例化工作，顶层文件可以用HDL语言编写，也可以用原理图的方式.

4 译码器与显示接口电路设计

4.1 3线-8线译码器

3线-8线译码器的仿真过程：运行Quartus II软件，建立工程项目，工程命名为lq.建立一个VHDL文件，命名为lq，文件后缀为.vhd，再将程序写入并保存，然后编译，确保没有错误后进行仿真，周期设为100ns.将输入端A2、A1、A0三位二进制代码按照真值表设定好；S_0、S_1、S_2为控制输入端，当s_0 and (not s_1)and (not s_2)为1时，译码器工作，当它为0时，译码器全为高电平；输出端Z-n7到Z-n0.在对端口进行设定，将A2、A1、A0和总控制端S设定为K1、K2、K3、K4四位独立按键作为输入端，其端口依次为I/O74、I/O72、I/O75、I/O76.输出端Z-n7~Z-n0对应的是LED8~LED1，其端口依次是I/O181、I/O175、I/O171、I/O169、I/O170、I/O173、I/O180、I/O182.设定好之后，再次进行编译仿真，没有错误即可进行配置，可以实现输入四位二进制代码，按照其原意翻译成相应的输出信号，体现在LED灯上.仿真波形如图1所示.

4.2 LCD显示

LCD的仿真过程：运行Quartus II软件，建立工程项目，工程命名为lcd1602.建立一个VHDL文件，命名为lcd1602，文件后缀为.vhd，再将程序写入并保存，然后编译，确保没有错误后进行仿真.先进行端口说明，输入端为：start - 启动显示、cmd - 命令、dat_i - 等显示的字符数据、clk - 时钟、rst - 复位信号（低电平有效）.输出端为：lcd_e - lcd1602使能、lcd_rw - lcd1602读取有效、lcd_di - lcd1602数据/命令选择信号、lcd_dat - lcd1602数据、ok .完成对lcd1602的驱动，使lcd1602初始化，并显示字符.

然后以同样步骤建立名为lcddemo_ctrl的工程，到编译仿真.再进行端口说明，输入端为：ack -接收数据方已确认（上升沿有效）、init_ok-显示屏初始化完成、clk-时钟输入、rst-复位信号输入.输出端为：stb-输出数据通知信号，上升沿有效、dat-输出数据.还要对列出文本文件的内容进行设定（参考），就可以完成在lcd1602上显示两行字符“made by liu qin”.当然也可以显示其他内容，根据AsciI字符表编辑想要显示的代码，便可显示想要的字符.

4.3 流水灯

流水灯的设计主要由三个模块和一个顶层文件组成，其模块划分及功能说明如表1、表2：

FA280开发板硬件具有8位LED，为低电平驱动方式，即低电平点亮高电平熄灭.

本实验中实现以提供低电平方式点亮8个LED中的某一个或多个，其点亮模式代表了数据0~9和A~F，两次点亮的时间间隔为1s，以15s的周期循环重复.流水灯点亮方案如表2.流水灯显示仿真过程是对三个模块和一个顶层文件进行编译仿真，具体操作步骤如上两个实例.运行Quartus II软件，分别建立工程项目、VHDL文件，再将程序写入并保存，然后编译，确保没有错误后进行仿真.并对各模块的端口进行说明，实现其具体功能，完成流水灯的显示.

5 结语

本设计应用QuartusⅡ 9.0软件，采用VHDL语言，按照开发流程完成3线-8线译码器、LCD和流水灯的设计，得到相应的仿真波形并下载到实验开发板上观察显示实验结果.这个过程让学生熟悉了EDA技术和实验开发板的功能，及相关软件的应用.

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参考文献：

〔1〕廖超平，EDA技术与VHDL实用教程.高等教育出版社，2007.

〔2〕闫石.数字电子技术基础.高等教育出版社，2006.

〔3〕汪国强.华成英，EDA技术与应用.电子工业出版社，2005.

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〔6〕吴继华，王诚.ALTERA FPGA/CPLD设计（基础篇）.人民邮电出版社，2005.

〔7〕黄任.VHDL入门·解惑·经典实例[M].北京航空大学出版社，2005.