電子信息科學與技術專業(yè)實習

課題1、串行掃描電路設計2、數(shù)據(jù)采集與顯示電路設計實習報告撰寫要求用黑色筆記書寫報告應該包括：1）實習目的；2）設計原理；3）設計方案；4）具體設計；5）設計結果；6）設計總結與分析。頁數(shù)要求：18頁以上2023/10/143

EDA工具軟件的使用方法?以Altera公司的QuartusⅡ為主，介紹EDA工具軟件的使用方法，作為EDA設計的基礎。通過本章的學習，讀者可初步采用QuartusII軟件的原理圖輸入法，設計數(shù)字電路和系統(tǒng)，掌握用試驗開發(fā)系統(tǒng)或開發(fā)板對設計電路進行硬件驗證的方法。?知識要點： （1）EDA技術的原理圖輸入設計法。（2）用原理圖輸入法實現(xiàn)多層次系統(tǒng)電路的設計。（3）QuartusⅡ的宏功能模塊的使用方法。

2023/10/1441QuartusII軟件的安裝

QuartusII軟件的安裝比較簡單，只要把QuartusII軟件光盤放入計算機的光驅(qū)中，安裝光盤將自動引導完成QuartusII的安裝。軟件安裝結束之后，還必須在軟件中指定Altera公司的授權文件（License.dat），才能正常使用QuartusII軟件。

2QuartusII軟件的主界面QuartusII軟件為適應廣大MAX+PLUSⅡ軟件應用工程人員的需要，提供了QuartusII和與MAX+PLUSⅡ兼容的兩種主界面。Quartus主界面窗口MAX+PLUSⅡ主界面窗口2023/10/1463QuartusII的圖形編輯輸入法

圖形編輯輸入法也稱為原理圖輸入設計法。用QuartusII的原理圖輸入設計法進行數(shù)字系統(tǒng)設計時，不需要任何硬件描述語言知識，在具有數(shù)字邏輯電路基本知識的基礎上，就能可使用QuartusII提供EDA平臺，設計數(shù)字電路或系統(tǒng)。

為了方便電路設計，設計者首先應當在計算機中建立自己的工程目錄（如d:\myeda）。將自己的全部EDA設計文件放在文件夾中。注意：工程文件夾的名稱不要使用漢字，最好也不要使用數(shù)字。

在QuartusII平臺上，使用圖形編輯輸入法設計電路的操作流程包括編輯（設計輸入）、編譯、仿真和編程下載等基本過程。用QuartusII圖形編輯方式生成的圖形文件默認的擴展名為.bdf。下面以8位加法器adder8的設計為例，介紹QuartusII軟件使用的基本方法。2023/10/148QuartusII原理圖輸入的基本操作編輯原理圖編譯設計文件仿真引腳鎖定硬件調(diào)試編程下載2023/10/149

使用QuartusII設計電路系統(tǒng)之前，需要先建立設計項目（Project）。例如，用圖形編輯法設計8位加法器adder8時，需要先建立adder8的設計項目。在QuartusII集成環(huán)境下，執(zhí)行“File”菜單的“NewProjectWizard”命令，彈出如圖所示的新建設計項目對話框的“NewProjectWizard:Directory,Name,TOP-LevelEntuty[page1of5]”頁面（新建設計項目對話框共5個頁面）。3.1編輯輸入圖形設計文件此頁面用于登記設計文件的地址（文件夾）、設計項目的名稱和頂層文件實體名。在對話框的第一欄中填入項目所在的文件夾名；第二欄是設計項目名，需要填入新的設計項目名，第三欄是頂層文件實體名，需要填入頂層文件實體的名稱。設計項目名和頂層文件實體名可以同名，一般在多層次系統(tǒng)設計中，以與設計項目同名的設計實體作為頂層文件名。新建項目對話框的第2頁面用于增加設計文件，包括頂層設計文件和其他底層設計文件。如果頂層設計文件和其他底層設計文件已經(jīng)包含在工程文件夾中，則在此頁面中將這些設計文件增加到新建項目中。新建項目對話框第3頁面用于設置編程下載的目標芯片的類型與型號。在編譯設計文件前，應先選擇下載的目標芯片，否則系統(tǒng)將以默認的目標芯片為基礎完成設計文件的編譯。目標芯片選擇應根據(jù)支持硬件開發(fā)和驗證的開發(fā)板或試驗開發(fā)系統(tǒng)上提供的可編程邏輯器件來決定。不同的適配板上的可編程邏輯不同。新建設計項目對話框的第4頁面用于設置第三方EDA工具軟件的使用，一般情況下可以設置為“不使用”（在第三方工具軟件選擇框不出現(xiàn)“√”）。

新建設計項目對話框的第5頁面用于顯示新建設計項目的摘要，用鼠標點擊此頁面下方的“Finish”按鈕，完成新設計項目的建立。

2023/10/1412新的項目建立后，在QuartusII集成環(huán)境下，執(zhí)行“File”菜單的“New”命令，在彈出編輯文件類型對話框中，選擇“BlockDiagram/SchematicFile”（模塊/原理圖文件）方式，進入QuartusII圖形編輯方式的窗口界面。

圖2.22編輯文件類型對話框2023/10/1413

在原理圖編輯窗中的任何一個位置上用雙擊鼠標，彈出一個元件選擇窗。

圖2.23元件選擇框基本邏輯元件庫參數(shù)可設置的強函數(shù)元件庫基本邏輯元件庫中的元件由此輸入所需要的元件名MAX+plus庫2023/10/1414在8位加法器adder8的設計中，將電路設計需要的2個4位加法器74283以及輸入、輸出元件符號調(diào)人圖形編輯框中，根據(jù)8位加法器設計的原理圖，用鼠標完成電路內(nèi)部的連接以及與輸入、輸出元件的連接，并將相應的輸入元件符號名分別更改為“A[7..0]”和“B[7..0]”，把輸出元件的名稱分更改為“SUM[7..0]”和“COUT”，如圖所示。其中A[7..0]和B[7..0]是兩個8位加數(shù)輸入端，SUM[7..0]是8位和數(shù)輸出端，COUT是向高位進位輸出端。電路設計完成后，用“adder8.bdf”為文件名保存在工程目錄中。圖2.248位加法器的原理圖2023/10/14153.2編譯設計圖形文件

執(zhí)行QuartusII主窗口“Processing”菜單的“StartCompilation”命令，或者在主窗口上直接用鼠標左鍵點擊“開始編譯”命令按鈕，開始對adder8.bdf文件進行編譯。編譯工具的編譯過程界面如圖2.25所示，編譯過程包括分析與綜合、適配、編程和時序分析等4個環(huán)節(jié)。

圖2.25QuartusII編譯工具界面2023/10/14163.3真設計文件

1.建立波形文件執(zhí)行QuartusII主窗口“File”菜單的“New”命令，在彈出編輯文件類型對話框，選擇對話框“OtherFiles”中的“VectorWaveformFile”方式，進入QuartusII波形編輯方式，彈出新建波形文件編輯窗口界面。

新建波形文件編輯窗口界面2023/10/14172.輸入信號節(jié)點在波形編輯方式下，執(zhí)行“Edit”菜單下的“InsertNodeorBus…”命令，或在波形文件編輯窗口的“Name”欄中點擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“InsertNodeorBus…”命令，彈出插入節(jié)點或總線（InsertNodeorBus…）對話框，。在“InsertNodeorBus…”對話窗口中首先點擊“NodeFinder…”鍵，彈出節(jié)點發(fā)現(xiàn)者（NodeFinder）對話框。

插入信號節(jié)點對話框節(jié)點發(fā)現(xiàn)者對話框在“NodeFinder”對話框的“Filter”欄目中，用選擇“Pins:all”項，再點擊“Start”按鈕，這時在窗口左邊的“NodesFound:”（節(jié)點建立）框中將列出該設計項目的全部信號節(jié)點。若在仿真中需要觀察全部信號的波形，則點擊窗口中間的“>>”按鈕；若在仿真中只需要觀察部分信號的波形，則首先用鼠標左鍵將信號名點黑選中，然后點擊窗口中間的“>”按鈕，選中的信號即進入到窗口右邊的“SelectedNodes:”（被選擇的節(jié)點）框中。如果需要刪除“SelectedNodes:”框中的節(jié)點信號，也可以用鼠標將其選中，然后點擊窗口中間的“<”按鈕。節(jié)點信號選擇完畢后，點擊“OK”按鈕。3.設置波形參量

QuartusII默認的仿真時間域是1

s，如果需要更長時間觀察仿真結果，可執(zhí)行“Edit”命令菜單中的“EndTime…”選項，在彈出的如圖2.30所示的“EndTime”（設置仿真時間域）對話框中，輸入適當?shù)姆抡鏁r間域（如10

s），后點擊“OK”按鈕完成設置。設置仿真時間域?qū)υ捒?.編輯輸入信號為輸入信號編輯測試電平或數(shù)據(jù)的示意圖如圖所示。仿真編輯窗口的左側(cè)各種功能選擇按鈕的主要功能及使用方法如下：

為輸入信號編輯測試電平或數(shù)據(jù)示意圖放大/縮小工具未初始化（U）強未知（X）0電平（強0）1電平（強1）高阻（Z）弱0（L）弱1（H）計數(shù)值任意值隨機值時鐘弱未知（W）無關（DC）反相選擇工具文本工具編輯工具全屏顯示發(fā)現(xiàn)替換5.波形文件存盤執(zhí)行“File”選項的“Save”命令，完成波形文件的存盤。6.運行仿真器執(zhí)行“Processing”中的“StartSimulation”命令，對設計電路進行仿真。8位加法器的仿真波形3.4編程下載設計文件編程下載是指將設計處理中產(chǎn)生的編程數(shù)據(jù)文件通過EDA軟件放到具體的可編程邏輯器件中去的過程。對CPLD器件來說是將JED文件下載（DownLoad）到CPLD器件中去，對FPGA來說是將位流數(shù)據(jù)BG文件配置到FPGA中去。編程下載需要可編程邏輯器件的開發(fā)板或試驗開發(fā)系統(tǒng)支持。1.基于GW48的編程下載過程GW48的結構與功能見本書的附錄A，基于GW48的8位加法器設計的編程下載過程，包括選擇實驗模式、引腳鎖定和編程下載三個部分。（1）選擇實驗模式用EDA方式設計的電路的最終目的，是得到滿足設計功能的硬件電路，在將設計電路編程下載到目標芯片之前，需要進行引腳鎖定。引腳鎖定就是根據(jù)目標芯片的引腳分布規(guī)則，確定設計電路的輸入和輸出端口與目標芯片的連接關系，即把哪一條設計電路的輸入/輸出端口，連接到目標芯片的哪一只引腳（Pin）上。在進行目標芯片的引腳鎖定之前，首先需要確定目標芯片的引腳與GW48的外部設備（如按鈕、發(fā)光二極管、七段數(shù)碼器等）的連接關系，把目標芯片的引腳與實驗開發(fā)系統(tǒng)的外部設備連接的方式稱為實驗模式。GW48上的目標芯片與外部設備連接的方式有十幾種，因此其實驗模式也有十幾種。對于每一個具體的設計，需要選擇一個合適模式，才能對其進行完整的實驗驗證。8位加法器設計的實驗驗證可以選擇實驗電路結構圖NO.1提供的實驗模式，即實驗模式NO.1。（2）引腳鎖定引腳鎖定前應首先選擇目標芯片，本實驗選擇的目標芯片為EPF10K10LC84-4。參考附錄A“GW48使用說明”中的實驗電路結構圖NO.1和表A.5，確定引腳鎖定。端口名稱 I/O管腳 芯片引腳 端口名稱 I/O管腳 芯片引腳 B[0] PIO0 5 A[4] PIO12 22 B[1] PIO1 6 A[5] PIO13 23 B[2] PIO2 7 A[6] PIO14 24 B[3] PIO3 8 A[7] PIO15 25 B[4] PIO4 9 SUM[0] PIO24 39 B[5] PIO5 10 SUM[1] PIO25 47 B[6] PIO6 11 SUM[2] PIO26 48 B[7] PIO7 16 SUM[3] PIO27 49 A[0] PIO8 17 SUM[4] PIO28 50 A[1] PIO9 18 SUM[5] PIO29 51 A[2] PIO10 19 SUM[6] PIO30 52 A[3] PIO11 21 SUM[7] PIO31 53 COUT PIO39 65 8位加法器與目標芯片引腳的連接關系表（3）下載設計文件在QuartusII軟件界面上選擇“Tools”的編程器“Programmer”命令或者用鼠標左鍵直接點擊“Programmer”命令按鈕，彈出設置編程方式窗口。設置編程方式窗口下載設計文件之前需要設定編程方式。在設置編程方式窗口中，用鼠標左鍵點擊“Hardware…”（硬件設置）按鈕，在彈出“HardwareSetup”硬件設置對話框中點擊“AddHardware”按鈕，在彈出的添加硬件對話框中選擇“ByteBlasterMV[LP1]”編程方式。ByteBlasterMV[LP1]編程方式對應計算機的并行口編程下載通道，“MV”是混合電壓的意思，主要指對ALTERA的各類芯片電壓的FPGA/CPLD都能由此編程下載。硬件設置完成后，在返回到的設置編程方式窗口中，在“Mode:”欄目選擇PassiveSerial模式，該模式適用于Altera公司的可編程邏輯器件。完成上述操作后，執(zhí)行“Processing”的“Stare”命令，或者用鼠標左鍵點擊設置編程方式窗口左邊開始編程按鈕“Start”，實現(xiàn)設計電路到目標芯片的編程下載。

（4）硬件驗證設計電路用并行電纜將GW48與計算機的并行接口連接在一起，打開GW48的電源，按動模式選擇開關選擇工作模式“1”。按動GW48實驗板上的十六進制數(shù)輸入按鈕“鍵4”、“鍵3”、“鍵2”和“鍵1”，得到A[7..0]和B[7..0]不同的輸入組合；觀察輸出發(fā)光二極管“D8”的亮滅及“數(shù)碼8”和“數(shù)碼7”上的數(shù)字組合，硬件驗證8位加法器的功能。4MAX+PLUSⅡ設計項目的轉(zhuǎn)換QuartusII軟件可以將MAX+PLUSⅡ設計的項目轉(zhuǎn)換到QuartusII環(huán)境下執(zhí)行，執(zhí)行QuartusII主窗口“File”菜單的“ConvertMAX+PLUSⅡProject…”命令，完成MAX+PLUSⅡ設計文件到的QuartusII設計項目的轉(zhuǎn)換，并建立QuartusII設計項目名稱（如cont10）。“ConvertMAX+PLUSⅡProject”對話框5QuartusII宏功能模塊的使用方法使用QuartusII的MegeWizardPlug-InManager中的宏功能模塊可以幫助用戶完成一些復雜系統(tǒng)的設計，并可以方便地對現(xiàn)有的設計文件進行修改。這些宏功能模塊包括LPM（LibraryParameterizedMegafunction）、MegaCore（例如FFT、FIR等）和AMMP（AlteraMegafunctionPartnersProgram，例如PCI、DDS等）。下面以波形發(fā)生器的設計為例，介紹QuartusII宏功能模塊的使用方法。5.1設計原理在波形發(fā)生器的原理圖中，lpm_counter0是LPM計數(shù)器，lpm_rom0是LPM只讀存儲器（ROM）。ROM中保存的是某種波形信號（如鋸齒波或正弦波）的數(shù)據(jù)，其地址由計數(shù)器lpm_counter0提供。lpm_counter0是一個8位加法計數(shù)器，在時鐘的控制下計數(shù)器的輸出q[7..0]由00000000到11111111循環(huán)變化，使ROM輸出周期性的波形信號的數(shù)據(jù)。波形發(fā)生器的原理圖5.2編輯輸入頂層設計文件首先為波形發(fā)生器建立新的設計項目“mydds”，并選擇Cyclone系列的EP1C6Q240C8作為設計項目的下載目標芯片。然后執(zhí)行“File”菜單的“New”命令，打開一個新的“BlockDiagram/SchematicFile”編輯窗口。1.加入計數(shù)器元件用鼠標雙擊原理圖編輯窗，在彈出的元件選擇窗的“Libraries”欄目中選擇“arithmetic”的“l(fā)pm_counter”（計數(shù)器）LPM元件。LPM是參數(shù)化的多功能庫元件，每一種LPM元件都具有許多端口和參數(shù)，通過對端口的選擇與參數(shù)的設置得到設計需要的元件。pm_counter元件選擇窗計數(shù)器元件選定后用鼠標點擊“OK”按鈕，彈出“MegaWizardPlug-InManager[page2c]”對話框頁面。在該對話框頁面中，選擇VHDL（或VerilogHDL）作為輸出文件的類型，并將生成的計數(shù)器名稱及保存的文件夾輸入到“Whatnamedoyouwantfortheoutputfile？”欄目中。MegaWizardPlug-InManager[page2c]對話框頁面完成上述操作后，點擊“Next”按鈕，進入計數(shù)器參數(shù)設置的下一個對話框頁面“MegaWizardPlug-InManager–LPM_COUNTER[page1of4]”。在此頁面中設置計數(shù)器的q輸出位數(shù)為8bit，時鐘輸入clock的有效邊沿為“Uponly”（上升沿有效）。時鐘邊沿也可以選擇“Downonly”（下降沿有效）或“Updown”（雙邊沿有效）。LPM_COUNTER[page1of4]”對話框頁面完成計數(shù)器此頁的參數(shù)設置后點擊“Next”按鈕，進入計數(shù)器參數(shù)設置的“MegaWizardPlug-InManager–LPM_COUNTER[page2of4]”對話框頁面。在此對話框頁面中，選擇計數(shù)器的類型為“Plainbinar