彭若晨，閆 妍

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

FPGA填補(bǔ)了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的卡空白，是對(duì)微處理器的補(bǔ)充。盡管微處理器能用于許多場(chǎng)合，但是它們依靠軟件才能實(shí)現(xiàn)其功能，因此比起定制芯片，它們一般運(yùn)行速度比較慢而且功耗大。同樣的，F(xiàn)PGA也不是定制芯片，它們無(wú)法像那些為某一應(yīng)用而設(shè)計(jì)的定制芯片那樣擅長(zhǎng)完成特定功能。FPGA一般也比定制邏輯芯片的運(yùn)行速度慢而且功耗大，同時(shí)相對(duì)較貴；所以人們認(rèn)為定制芯片更便宜。然而，由于它們是標(biāo)準(zhǔn)期間，因而能夠彌補(bǔ)定制芯片的一些不足。從完成設(shè)計(jì)到取得一個(gè)可工作的芯片之間不用等待，可以吧程序?qū)懭隖PGA并立即進(jìn)行測(cè)試；同種類(lèi)的FPGA可以用于不同類(lèi)型的設(shè)計(jì)中，以降低庫(kù)存費(fèi)用。

1 方案設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

根據(jù)以上設(shè)計(jì)背景，利用QuartusⅡ軟件編寫(xiě)verilog HDL硬件描述語(yǔ)言程序以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管循環(huán)顯示學(xué)號(hào)以及根據(jù)鍵盤(pán)切換輸出波形并在VGA上顯示。

1）顯示學(xué)號(hào)

①采用數(shù)碼管顯示。

②循環(huán)顯示2個(gè)人的學(xué)號(hào)后四位。

2）根據(jù)鍵盤(pán)切換輸出波形

①按鍵盤(pán)一次，在VGA顯示輸出當(dāng)前的溫度。

②按鍵盤(pán)兩次，在VGA顯示輸出當(dāng)前的時(shí)間。

③按鍵盤(pán)三次，在VGA顯示輸出學(xué)生姓名。

用模塊PCF8591進(jìn)行溫度采集，PCF8591資料如圖1所示。

2 方案設(shè)計(jì)與論證

本電路總共分為分頻模塊、PS/2鍵盤(pán)輸入模塊、字符碼轉(zhuǎn)換模塊、VGA驅(qū)動(dòng)模塊。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

圖1 PCF8591編碼圖Fig.1 PCF8591

圖2 各模塊關(guān)系圖Fig.2 The relationship between the various modules

3 單元電路設(shè)計(jì)

1）顯示學(xué)號(hào)部分

只要將CLK信號(hào)分頻之后再送入數(shù)碼管即可顯示。如圖3所示。

2）鍵盤(pán)控制部分如圖4所示。

圖3 學(xué)號(hào)數(shù)碼管圖Fig.3 Student ID digital

圖4 電腦鍵盤(pán)接線(xiàn)圖Fig.4 Computer keyboard wiring

接口的6個(gè)腳中，接口示意圖如圖4所示。只有4個(gè)腳有意義，分別是：時(shí)鐘腳、數(shù)據(jù)腳、電源腳、電源地。其余為保留腳。PS/2靠系統(tǒng)的PS/2端口提供+5 V電源。這里需要用到的即是：時(shí)鐘腳和數(shù)據(jù)腳。這兩個(gè)腳都是集電極開(kāi)路，所以必須接大阻值的上拉電阻。它們平時(shí)保持高電平，有輸出時(shí)才被拉到低電平，之后自動(dòng)上浮到高電平。

此模塊的功能說(shuō)明：當(dāng)按下一個(gè)鍵時(shí)，F(xiàn)PGA在時(shí)鐘信號(hào)下接受來(lái)自PS/2鍵盤(pán)的數(shù)據(jù)（8個(gè)數(shù)據(jù)位），接收完畢后鎖存并轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，例如4’ha。當(dāng)按鍵放開(kāi)時(shí)，發(fā)出信號(hào)change。這時(shí)開(kāi)始識(shí)別按鍵，如果接收到8’d102，則表示接收到按鍵Backspace，則清空顯示數(shù)據(jù)?？傮w來(lái)說(shuō)，此部分分為接收數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)判斷與鎖存模塊、鍵值轉(zhuǎn)化模塊。模塊電路圖如圖5所示。

圖5 模塊電路圖Fig.5 Module circuit diagram

3）VGA顯示部分

VGA時(shí)序控制模塊是整個(gè)顯示控制器的關(guān)鍵部分，最終的輸出信號(hào)行、場(chǎng)同步信號(hào)必須嚴(yán)格按照VGA時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)。對(duì)于普通的VGA顯示器，其引出線(xiàn)的共含 5 個(gè)信號(hào)：G，R，B（三基色信號(hào)），HS（行同步信號(hào)）VS（場(chǎng)同步信號(hào)）。在5個(gè)信號(hào)時(shí)序驅(qū)動(dòng)時(shí)，VGA顯示器要嚴(yán)格遵循“VGA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”， 即 640×480×25 MHz模式或 800×600×40 MHz模式，本次字符顯示試驗(yàn)采用800×600×40 MHz模式。VGA接頭焊接方法如圖6所示。

VGA顯示模塊如下

1）顯示溫度

圖6 VGA接頭焊接方法圖Fig.6 VGA connector welding method

溫度要用PCF8591進(jìn)行采集，采集到的溫度進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后經(jīng)選擇通道送入VGA控制電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)VGA顯示溫度。溫度模塊電路圖如圖7所示。

圖7 溫度模塊電路圖Fig.7 Temperature module circuit diagram

2）顯示時(shí)間

這實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器。CLK被分頻后用來(lái)計(jì)數(shù)，并且數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)寄存器寄存下來(lái)才能夠被送入VGA控制模塊。

時(shí)間模塊電路圖如圖8所示。

3）顯示姓名模塊電路圖如圖9所示。

圖8 時(shí)間模塊電路圖Fig.8 Time module circuit diagram

圖9 顯示姓名模塊電路圖Fig.9 Shows the name of the module circuit diagram

4 程序調(diào)試

1）運(yùn)行Quartus II軟件，新建工程和命名頂層文件。

2）建立文件Verilog HDL File。命名為ps2.v。在文件中寫(xiě)入程序，保存，編譯。

3）分配管腳。保存，編譯。

4）觀察數(shù)碼管的學(xué)號(hào)顯示

5）在鍵盤(pán)上分別輸入1、2、3，觀察VGA顯示屏的變化

6）若不相同或不完全相同，則分模塊調(diào)試。

調(diào)試現(xiàn)象：

1）分別輸入 1、2、3， VGA 均正確顯示。

2）輸入其他的鍵值，VGA顯示0。

3）數(shù)碼管循環(huán)顯示學(xué)號(hào)后四位。

5 結(jié) 論

通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)FPGA有了進(jìn)一步的了解，雖然只做了一些最底層、最基本的設(shè)計(jì)，也只接觸了那么一些小小的內(nèi)容，但通過(guò)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程了解了FPGA的強(qiáng)大功能，認(rèn)識(shí)了一些單元的工作原理。

多模式顯示器在VGA上顯示不同的內(nèi)容，在了解結(jié)構(gòu)和原理后對(duì)FPGA器件設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯系統(tǒng)的方法和流程進(jìn)行了討論。傳統(tǒng)的自下而上的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)取代當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展，不能滿(mǎn)足大規(guī)模復(fù)雜電路[8]設(shè)計(jì)的需求，取而代之的是自上而下的設(shè)計(jì)。硬件描述語(yǔ)言采用軟件編程的方式來(lái)描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式，用于描述大規(guī)模的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為方便。

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