数字系统集成综合课程设计(直流电机) .doc

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1、摘 要随着基于PLD的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日突出。且在功能仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的巨大的挑战。这些问题实际上也是新一代EDA技术未来发展的趋势，随着技术市场与人才市场对EDA的需求不断提高，产品的市场需求和技术市场的要求也开始反映到教学和科研领域。步进电机作为一种电脉冲-角位移的转换元件，由于具有价格低廉、易于控制、无累积误差和计算机接口方便等优点。，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。而且实践证明，直流电机细分驱动技术可以改变直流电机的速

2、度，提高电机运行的平稳性，增加灵活性等。采用FPGA控制直流电机，利用FPGA设计的数字比较器可以产生PWM电流波形，对直流电机进行灵活的控制。通过改变控制设定值计数器的数据、增加计数器的位数，可提高技术精度，从而可以对直流电机的转速进行任意细分，实现直流电机的精确控制。用FPGA实现PWM控制，无须外接D/A转换器，使外围控制电路大大简化，控制方式简洁，控制精度高，控制效果好。用单片机控制是难以达到同样效果的。关键词：EDA 直流电机 PWM 脉宽调制 目 录前 言1第一章 绪 论31.1 直流电机概述31.2 脉宽调制(PWM)技术概述41.3 微机与单片机常用的PWM控制51.4 用FP

3、GA的PWM控制5第二章 FPGA软件的设计62.1 FPGA电机控制电路构成62.2 具体设计步骤72.2.1 建立项目文件夹72.2.2 VHDL语言文件的建立82.2.3 Graphic editor File文件的建立82.2.4 工程（PROJECT）文件的设置82.2.5 选择目标的器件与文件的编译92.2.6 波形文件的建立与时序仿真9第三章 硬件系统介绍113.1 ZY11EDA13BE实验箱简介113.1.1 概 述113.1.2 实验箱特点：113.1.3 标准实验配置：123.2 核心处理部分123.3 支撑部分133.3.2 通用编程模块143.3.3 配置模块153.

4、3.4 模式选择模块153.4 输入部分163.4.1 模式选择模块163.4.2 开关按键模块173.4.3 键盘模块183.4.4 模拟信号源模块183.5 输出部分193.5.1 LED显示模块193.5.2 液晶显示模块193.5.3 数码管显示模块203.6 适配处理部分21第四章 系统调试224.1 管脚的锁定224.2 硬件调试22附录一 PWM原理图文件23参考文献24数字系统集成综合课程设计前 言EDA工程的主要设计对象是超大规模专用集成电路，怎样对一片超大规模集成电路进行功能划分、行为描述、逻辑综合、时序分析、故障测试、形式验证是EDA工程解决的主要问题。EDA工具是一种以

5、计算机为基本工作平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以及人工智能学等多种计算机应用学科的最渐成果而开发出来的一整套软件工具，是一种帮助电子设计工程师从事屯子元件产品和系统设计的综合工具。随着PLD的EDA技术的发展和应用领域的扩大，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。且在功能仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的巨大的挑战。这些问题实际上也是新一代EDA技术未来发展的趋势，随着动手术市场与人才市场对EDA的需求不断提高，产品的市场需求和技术市场的要求也必然会反映到教学和科研领域中来。对美国一些著名大学本

6、科电子与计算机实验室建高的情况的调研结果表明，许多著名院校PLD的EDA技术在本科教学中有两个明显的特点：一是各专业中EDA教学实验课程的普及性，即在电子通信、工控乃至生物医学工程、计算机等非电类专业都包含了EDA技术的教学试验内容；二是在实验中EDA试验成主流，大部分传统的实验如数字电路、计算机组成、接口、通信、处理器等实验内容，都融入了EDA实验，并更多地注重创新性实验。这显然是科技发展和市场需求的结果。20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地失去了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代

7、的节奏也越来越快。现代电子设计技术的核心是EDA(Electonic Design Automation)技术。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化各仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得设计者的工作似限于利用软件的方式，取出利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。从另一方而看，在现代高新电子产品的设计和生产中，微电子技术和现代日子设计技

8、术是相互促进、相互失去又相互制约的两个技术环节。前者代表了物理层在广度和深度上硬件设计电路实现的发展，后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件技术有机的融合和升华。因此，严格地说，EDA技术应该是这两者的结合，是这两个技术领域共同孕育的奇葩。EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC版图设计技术、ASIC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术等；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助工程（CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念，而在现

9、代电子学方面则容纳了更多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等。因此EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。在现代技术的所有领域中，得以飞速发展的科学技术多为计算机辅助设计，而非自动化设计。显然，最早进入设计自动化的技术领域之一是电子技术，这就显什么电子技术始终处于所有科学技术发展最前列的原因之一。不难理解，EDA技术已不是某一学科的分支，或某种新的技能技术，它应该是一门综合性学科。它融合多学科于一体，又渗透于各学科之中，打破了软件和硬件间的壁垒，使计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一，它代表了电子设计技术和应用技

10、术的发展方向。23第一章 绪 论1.1 直流电机概述直流电机是电机的主要类型之一是机械能转换为直流电能的电气设备一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用直流电机的工作原理主要是使绕组在恒定磁场中旋转感生出交流电，再依靠换向装置，将此交流电变为直流电通常采用的换向装置是机械式的，称为换向器历史上，最早的电源是电池，只能供应直流电能，所以直流电机的发展比交流电机早后来交流电机发展比较快，这是因为交流电机与直流电机相比有许多优点，如易生产、成本低、能做到较大的容量等目前

11、电站的发电机全都是交流电机；用在各行各业的电机，大部分也是交流电机然而，直流电机目前仍有相当多的应用直流电动机主要有以下几方面的优点：(1)调速范围广，且易于平滑调节；(2)过载、起动、制动转矩大；(3)易于控制，可靠性高；(4)调速时的能量损耗较小所以，在调速要求高的场所，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送抖、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电动机均得到广泛的应用直流发电机用作直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电以及交流发电机的励磁等的直流电源机械换向是直流电机致命缺点，它使直流电机的容量受到限制，不能做得很大目前极限容量也不过1万kw左右而且由于有换向器

12、，使它比交流电机费工费料，造价昂贵运行时换向器需要经常维修，寿命也较短所以很多人做了不少工作，以求用其他装置或改进交流电机的性能，来代替直流电机拿直流电源来讲，很早就有用电力整流元件，直接由交流电源变成直流，以代替直流发电机早期的器件有水银整流器、引燃管等这些器件在价格、使用方便、可靠性等方面，不及直流发电机近年来，大功率半导体元件发展很快，它的可靠性、价格、控制方便等指标日益改进，在某些场合，已经可以成功地用可控整流电源代替直流发电机了不过，有些性能(如波形平滑等)仍不及直流发电机至于电动机方面，采用电力电子技术配合同步电动机，构成电子换向的无换向器电动机，也可具有直流电动机的性能，已在大容

13、量、高电压、高转速方面显示了很大优越性，并得到实际应用但总的来说，还未做到全面代替直流电动机的程度1.2 脉宽调制(PWM)技术概述脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压

14、或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器

15、的周期 * 在PWM控制寄存器中设置接通时间 * 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 * 启动定时器* 使能PWM控制器 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约

16、空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。1.3 微机与单片机常用的PWM控制采用微机控制产生PWM信号。一般的PWM信号是通过模拟比较器产生的，比较器的一端接给定的参考电压，另一端接周期线性增加的锯齿波电压。当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。改变参考电压就可以改变PWM波形中的高电平的宽度。若用微机或单片机产生PWM信号波形，因此外围电路比较复杂。1.4 用FPGA的PWM控制FPGA中的数字PWM控制与一般的模拟PWM控制不同。用FPGA产生PWM波形，只需FPGA内部资源就可以实现。用数字比较器代替模拟比较器，数字比较

17、器的一端接设定计数器输出，另一端接线性递增计数器输出。当线性计数器的计数值小于设定值是输出低电平，当线性计数器的计数值大于设定值是输出高电平。与模拟控制相比，省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单，便于控制。脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制，转速的波动随着PWM脉宽细分数的增加而减小。第二章 FPGA软件的设计2.1 FPGA电机控制电路构成直流电机控制电路主要由三部分组成：FPGA中PWM脉宽调制信号产生电路；FPGA中的工作/停止控制和正/反转控制电路；有功率放大电路和H桥组成的正/反转功率驱动电路。设定值计数器设定PWM信号的占空比。当U/D=1时

18、，输入CLK2使设定值计数器的输出值增加，PWM的占空比增加，电机转速加快；当U/D=0，输入CLK2，使设定值计数器的输出值减小，PWM的占空比减小，电机转速变慢。在CLK0的作用下，锯齿波计数器输出周期性线形增加的锯齿波。图2-1当计数值小于设定值时，数字比较器输出低电平；当计数值大于设定值时，数字比较器输出高电平，由此产生周期性的PWM波形。旋转方向控制电路控制直流电机转向和启/停，该电路由两个2选1多路选择器组成，Z/F键控制选择PWM波形从正端Z进入H桥，以控制电机的旋转方向。START键通过“与”门控制PWM 的输出，实现对电机的工作/停止控制。H桥电路由大功率晶体管构成，PWM波

19、形通过方向控制电路送到H桥，经功率放大后驱动电机转动。图2-2PWM控制电路由细分计数器和脉宽计数器所组成。图中的CNT10是一个简单的十进制计数器，作脉宽计数器，而C_CNT10是一个控制的加减计数器，作细分计数器的同时还具有设置值保持和显示输出的功能， 其余的模块是2选1多路选择器和比较器。细分计数器确定脉冲宽度，脉宽计数器在CLK的激励下输出从0开始的逐渐增大的锯齿波。两路计数器的输出同时加在数字比较器上，当脉宽计数器输出值小于细分比较器输出的规定值，比较器输出低电平；当脉宽计数器输出值大于细分比较器输出的规定值，比较器输出高电平。改变细分计数器的设定值，就可以改变PWM输出信号的占空比

20、。细分计数器是一个双向计数器，可以进行加/减计数，由U_D控制其加/减计数方向，CLK是计数脉冲输入端。这样就可以输出周期性可调脉宽的脉冲，如果脉冲的周期足够小的话，就可以实现直流电机的速度调节。2.2 具体设计步骤2.2.1 建立项目文件夹任何一项设计都是一项工程(Project),都必须首先为此工程建立一个放置与此工程相关的所有文件夹，此文件夹将被EDA软件默认为工件库（Work Library），一般不同的设计项目最好放在不同的文件夹中。假设本项设计的文件夹取名为MY_PRJCT，在E盘中，路径为：EMY_PRJCT。注意：文件夹不能用中文，且一个设计项目可以包含多个设计文件。2.2.2

21、 VHDL语言文件的建立（1） 选菜单FileNew，在弹出的File Type窗中选文本编辑输入项,按OK后选择Text Editor File将打开文本编辑窗（如图2-3）。（2） 点击保存按钮，并将文件名命名为C_CNT10.VHD（以C_CNT10.VHD为例），文件名中的“.VHD”千万不可以省略。成功建立VHD文件后，Max+PlusII会自动对VHDL语言保留字进行颜色标注。（3） 录入VHD语言源程序。图2-32.2.3 Graphic editor File文件的建立（1）选菜单FileNew，在弹出的File Type窗中选原理图编辑输入项Graphic editor Fi

22、le,按OK后将打开原理图编辑窗。（2）在原理图编辑窗中的任何一人位置上点鼠标右键，将跳出一个选择窗，选择此窗中的输入元件项Entet Synbol，于是将跳出输入元件选择窗。（3）在输入元件选择窗直接输入所需元件名，在按OK键，即可将元件调入原理图编辑窗中。（4）点击选项File“Save As”，选出刚才为自己的工程建立的目录E:MY_PRJCT，将已设计好的图文件取名为：PWM.gdf并存在此目录内。2.2.4 工程（PROJECT）文件的设置 将设计项目（如PWM.gdf）设定为工程文件设置成Project有两个途径：（1）选择FileProjectSet Project to Cur

23、rent File，即将当前设计文件设置成Project。选择此项后可以看到窗口左上角显示出所设计文件的路径。这点特别重要，此后的设计应该特别关注此路径的指向是否正确。（2）如果设计文件未打开，选FileProjectName，然后在跳出的Project Name窗中找到E:MY_PRJCT目录，在其中File小窗中双击PWM.gdf文件，此时即选定为本次设计的工程文件了。2.2.5 选择目标的器件与文件的编译 首先在Assign选项的下拉菜单中选择项Device,此窗品的Device Family是器件序列栏，应该首先在此栏中选定目标器件对应的序列名。完成器件选择后，按OK键。最后启动编译器

24、，首先选择左上角的MAX+plusII选项，在其下拉菜单中选择编译器项Compiler此编译器的功能包括网表文件提取、设计文件排错、逻辑综合、逻辑分配、适配（结构综合）、时序仿真文件提取和编程下载文件装配等。点击Start，开始编译！如果发现有错，排除错误后再次编译。2.2.6 波形文件的建立与时序仿真 （1） 建立波形文件。选择File项及其中New再选择New窗中的Waveform Editer. 项，打开波形编辑窗。（2）输入信号结点。在波形编辑窗的上方选择Node项，在下拉菜单中选择输入信号节点项Nodes from SNF。在弹出的窗口中首先点击List键，这时左窗口将列出该项设计所

25、有信号节点。由于设计者有时只需要观察其中部分信号的波形，因此要利用中间的“=”键将需要观察的信号选到右栏中，然后点击OK即可。（3）设置波形参量。首先设定相关的仿真参数，在Options选项中消去网格对齐备Snapto Grid的选择，以便能够任意设置输入电平位置，或设置输入时钟信号的周期。（4）设定仿真时间宽度，选择File项及其End time选项，在End time选择适当的仿真时间域。（5）加上输入信号。（6）波形文件存盘。选择File项及其Save as选项，按OK键即可。（7）运行仿真器。选择MAX+plusII 项及其中的仿真器Simulator选项，点击跳出的仿真器窗口中的St

26、ar键。仿真运算完成后的波形。下图为PWM调制直流电机控制占空比为40% 的仿真波形图。图2-4控制占空比为40% 的仿真波形图直流电机PWM波形仿真图第三章 硬件系统介绍3.1 ZY11EDA13BE实验箱简介ZY11EDA13BE型实验箱是众友科技份有限公司于2004年推出的一款全功能EDA实验箱。 3.1.1 概 述本实验箱采用先进的主板适配板扩展板的灵活结构，核心芯片功能强大，外围资源丰富，不仅能完成常见的各种EDA实验，而且可扩展性强，为更大效率利用基本输入输出资源和进行二次开发提供更大空间。由于开放适配板和扩展板两处接口，可同时进行核心处理器和附加功能的扩展开发，使更大规模的复杂数

27、字系统开发成为可能。 3.1.2 实验箱特点：1、适用面宽适用于EDA与VHDL教学、数字电路课程实验、电子设计竞赛、现代计算机组成原理、现代DSP技术通信实验、SOC/SOPC/ASIC实验等领域。2、开发用户I/O口众多主板扩展出核心芯片空闲I/O及可用硬件资源的I/O口，便于级联和扩充使用。3、数字EDA与模拟EDA混合开发主板模数转换与模拟可编程适配板结合，可实现数字、模拟EDA混合开发。5、编程下载通用性强主板系统FPGA/CPLD通用下载模块，兼容ALTERA、XILINX、LATTICE等公司几乎所有sp或现场配置的FPGA/CPLD器件的编程，包括对不同工作电压的FPGA/CP

28、LD器件的下载。编程过程中能自动识别目标芯片，快速准确。 6、混合电压兼容能力强主板系统具备对5V、3. 3V、2.5V、1.8V不同芯核电压的FPGA/CPLD器件的编程下载与开发条件。 7、免连线设计8、层次化配套实验体系安排本实验箱以3万门的FPGA器件EP1K30QC208芯片为主要目标芯片，结合MAX+plus软件，进行以VHDL语言为工具的EDA教学实验。提供最新的EDA设计软件及其使用课件、VHDL语言学习课件、实验示例课件、实验源程序代码及下载文件、相关芯片资料、EDA学习资料，逐步提高学生学习原理、掌握知识的能力。3.1.3 标准实验配置：1、PC机一台2、ZY11EDA13

29、BE型实验箱一台3、三相电源线一条4、并口延长线一条5、10芯JTAG连接线一条6、万用表表笔一个7、实验指导书V4.1版一本8、连接线50根3.2 核心处理部分本实验箱采用ALTERA公司ACEX系列3万门的FPGA器件EP1K30QC2082为核心处理芯片。EP1K30是ACEX1K系列FPGA器件之一，提供1968个寄存器，24576个存储位，30000个典型门，这些使得EP1K30非常适合于构建复杂逻辑功能和存储功能，在需要高性能处理的通信领域内的数字信号处理、宽通道数据操作、数据转换和微控制器等方面应用广泛。作为典型的FPGA器件，为保持其配置的逻辑功能，需要配置芯片进行调电保护。

30、EP1K30包含一个嵌入式阵列来完成存储功能一个逻辑阵列来完成通用逻辑功能和众多的引脚从而使其可以作为接口与系统组件有效连接。EP1K30内含1728个宏单元，划分为216个逻辑阵列块。嵌入式阵列由一系列嵌入式阵列块组成，每个嵌入式阵列块提供4096位空间，可用于创建RAM或ROM，还可贡献100到300个门构建组合逻辑功能所用。图3-2核心芯片俯视图3.3 支撑部分电源模块包括3个开关，7个电压输出插孔。其中交流开关用于打开从220V交流电源接入的内部变压器，为实验箱提供基本工作电源。打开交流开关，电源指示灯PL0亮，实验箱进入待机状态。按钮开关APW1用于打开主板个模块工作电源，按下APW

31、1后，电源指示灯PL1亮，实验箱进入工作状态，为系统提供+5V,+3.3V,+2.5V,+1.8V电源 。按钮开关APW2用于打开12V，12V电源，按下APW2后，电源指示灯PL2、PL3亮。打开交流开关后APW1、APW2才会有效。2.3.1 电源模块由插孔输出的3.3V，2.5V，1.8V电源是可调的，通过主板反面的可调电位器PW1， PW2，PW3进行调节，从而使您开发新的不同电压要求的适配板或扩展板，利用本实验箱实现1.5V、1.2V等低电压的数字系统设计更方便。图3-31电源模块3.3.2 通用编程模块核心电源跳线器用于选择不同的跳线XK1（5V）、XK2（3.3V）、XK3(2.

32、5V)或XK4(1.8V)，可以对不同芯核电压的CPLD/FPGA器件进行在系统编程和配置，新产品默认接XK2（3.3V）。 下载接口用于连接本模块与目标器件的可编程接口。在本实验箱的配置模块、适配板上都有相应的接口，用10芯JTAG下载线将本模块下载接口接配置模块的下载接口，才能实现现场下载或配置。图3-32通用编程模块3.3.3 配置模块本模块由核心芯片下载接口和配制芯片EPC2下载接口两部分组成，主要完成对核心芯片下载或配置芯片EPC2的下载功能。用10芯JTAG连接线将通用编程模块的下载接口与本模块的核心芯片下载接口连接起来，可以实现对核心芯片EP1K30的在线配置（编程）。在MAXp

33、lus软件编译仿真通过的下载文件（*.SOF）可通过核心芯片下载接口配置入EP1K30，完成相应的逻辑功能。但一旦核心芯片断电后，芯片内的编程信息将丢失，在下一次使用时需重新下载入核心芯片。为了克服上述缺点，各大PLD公司推出了可自动重新加载FPGA的配置芯片，将下载文件 （*.POF）下载到配置芯片，可在核心芯片重新上电后自动将编程文件信息加载到FPGA中，从而达到与CPLD类似的一次编程，永久保存的效果。用10芯JTAG连接线将通用编程模块的下载接口与本模块的EPC2下载接口连接起来，可以实现对掉电保护芯片（配置芯片）EPC2的编程。编程完毕后，断电一次，从下次上电起每次重新上电程序自动由

34、EPC2加载到核心芯片。本模块的跳线器CK1用来选择核心芯片A（EP1K30）的接口电压（VCCIO），短接1、2脚为3.3V，短接2、3脚为2.5V，新产品统一1、2脚短接；跳线器CK2始终短接，为核心芯片A（EP1K30）提供核心工作电压（VCCINT）2.5V。 图3-33 配置模块3.3.4 模式选择模块本模块采用8位拨码开关，实现硬件资源免连线功能，同时是为了全面开放I/O口而设计的。在不使用实验箱上相应资源而要使用I/O口时，所有拨码开关均拨向下，此时硬件资源相连的I/O口会开放给用户自由使用。当需要使用实验箱上的资源时，将相应的拨码开关拨箱上，此时与此硬件资源相连的I/O口即被占

35、用，用户可利用这些资源进行数字系统设计。模式选择拨码开关在实验箱上有明确标识，第一位拨位开关拨向上即数码管显示模块工作，依此类推。拨码开关2、3分别控制LED1-8和LED9-16。拨码开关4、5分别控制开关按键KD1-KD8和KD9-KD16。其它拨码开关意义如图所示。图3-34 模式选择模块3.4 输入部分本模块是数字时序系统重要的模块之一，为数字系统提供基准工作时序脉冲信号。3.4.1 模式选择模块 本模块数字脉冲频率均由晶振分频产生，供设计使用。有9个跳线器（TJ1-TJ9），分为三组分别连接到核心芯片(EP1K30)的第一、第二、第三全局时钟(GCLK1，GCLK2，GCLK3)，T

36、J1-TJ3为GCLK1的输入，TJ4-TJ6为GCLK2的输入，TJ7-TJ9为GCLK3的输入。如用跳线块将TJ1上的128Hz接上，即向GCLK1输入128Hz数字脉冲。不要同时将每组中不同两个或两个以上频率跳线接上，否则将导致运行错误。本实验箱提供24种常用频率（1Hz-100MHz)作为核心芯片EP1K30全局时钟GCLK1、GCLK2、GCLK3的输入。另外，为了便于您使用提供的24种以外的频率信号输入，我们将GCLK1，GCLK2，GCLK3输入开放为插孔和测试钩，您可以从外部数字信号源输入需要的频率信号。此时请将对应全局时钟的3个跳线器上的跳线块全部取下，以免造成冲突。如向GC

37、LK2输入外部时钟信号，需将跳线器TJ4-TJ6全部悬空。按钮开关TPW1为时钟开启开关，按下TPW1时，时钟源指示灯TL1亮，9组频率信号有效。否则无任何信号产生于9组跳线器上。当电源模块开关APW1按下时，本按钮开关才有效另外，在对FPGA/CPLD进行配置或编程时，应关闭数字时钟源模块，即将TPW1关闭（未按下）。下载完毕，方可打开本模块。（设计中用到本模块的频率作为全局时钟输入，未用到可不打开）图3-41 数字时钟源模块3.4.2 开关按键模块本模块是数字系统最常用的模块之一，即利用开关按键产生高电平、低电平输入到FPGA/CPLD器件的 I/O口中，一般用于逻辑输入和控制。当模式选择

38、模块拨码开关4、5、8拨向上时，本模块全部有效。本模块包含拨位开关KD1-KD16，按键K1-K16以及开关按键指示灯KL1-KL16。序号相同的组件是接在同一个I/O口上的，如KD5、K5及KL5是接在一起的。拨位开关拨向上表示向该I/O口输入高电平，否则是输入低电平。如当拨位开关KD5拨向上时，向I/O32输入高电平，相当于按键K5长按下，此时KL5灯亮。模式选择模块拨码开关4控制前八个开关按键，5控制后八个开关按键。在需要使用按键进行输入时，应将对应拨位开关拨向下，按下按键输入高电平，不按则输入低电平。另外，我们将开关按键所连接的16个I/O口开放为插孔，便于您使用这些I/O口。图3-4

39、2 开关按键模块3.4.3 键盘模块本模块是数字时序系统常用的模块之一，为数字系统提供多值控制信号。本模块由4行4列共16个按键组成。可用于输入十六进制数0F。本模块按键输入与开关按键模块的按键输入不同，按键按下并非表示输入高电平或低电平，而是表示接通该按键所在行和列。 根据节省I/O口的原则，我们将这16个按键接成4行4列，每行4个按键第一脚相连，每列4个按键第二脚相连。详细原理图见实验指导书。推荐采用扫描方式进行键值判断。 图3-43键盘模块3.4.4 模拟信号源模块本模块提供模拟信号，可输出正弦波、方波、三角波，并且输出信号的频率、幅度、占空比均可调，可作为模数转换的输入信号使用。 按钮

40、开关ARW1为模拟信号源开启开关，按下ARW1时，指示灯AL1亮，模拟信号源可输出相应模拟信号。当电源模块开关APW2按下时，ARW1才有效。本模块采用集成信号发生器ICL8038产生所需信号，其芯片资料放在发货光盘实验二十九文件夹内。跳线器AJ0用于频率选择。跳线器AJ1-AJ3用于频段选择。当AJ0不短接时，可向IN处输入控制信号（相当于通信中的基带信号），此时若AJ1-AJ3全部不短接，OUT端输出与IN端相同的信号；若AJ1-AJ3中任何一个短接（载波输入），则OUT端会输出经控制信号调制的正弦波。如通过连接线向IN端输入256Hz的方波，并短接AJ1，则OUT端输出两信号相乘的波形（

41、幅度调制波形，即当IN为0时输出0V，当IN为1时输出频率约为40KHz的正弦波），短接AJ1时载波频率最高，短接AJ3时频率最低。当短接AJ0时，通过跳线器AJ1-AJ3选择输出信号频段，跳线器AJ4-AJ6选择输出信号类型，电位器AW1调节输出信号频率，电位器AW5调节输出信号幅度，可调电阻AW2调节输出信号占空比，可调电阻AW3、AW4调节输出信号失真度。当短接AJ0，占空比调为50时，短接AJ1输出信号频率在890Hz-41.1KHz之间，短接AJ2输出信号频率在100Hz-4.5KHz之间，短接AJ3输出信号频率在32Hz-1.5KH之间 短接AJ4、AJ5、AJ6分别输出方波、正弦

42、波、三角波。图3-43 模拟信号源模块3.5 输出部分3.5.1 LED显示模块本模块是常用的数字系统输出模块，即用LED的亮与灭观察输出电平的高与低。当模式选择模块拨码开关2、3均拨向上时，LED1-LED16全部有效显示。拨码开关2控制前八个LED，3控制后八个LED。 图3-51 LED显示模块3.5.2 液晶显示模块本模块是选配件。选择FM12223型液晶显示屏。该液晶资料及工作原理放在见发货光盘实验四十三文件夹内。在使用液晶屏做液晶实验时，将液晶屏正地插在液晶显示模块对应的单排军品插座上。按键NK1用于液晶显示复位，可调电阻NW1用于调节液晶的对比度。图3-52 液晶显示模块3.5.

43、3 数码管显示模块本模块是常用的数字系统输出模块。本模块选择共阴数码管，相关知识清查阅模拟电子技术基础书籍。当模式选择模块拨码开关1拨向上时，本模块有效。根据节省I/O口的原则，我们将8个数码管SM1-SM8进行如下连接：SM1-SM8的对应段码接在一起，即SM1-SM8的A段接在一起，以此类推。SM1-SM8的片选接3-8译码器的输出端。因此，本模块共需要控制信号3个，作为3-8译码器输入，数据信号8个，作为数码管段码输入。根据硬件接法，本模块如下使用：用3个I/O口作为数码管片选信号送入3-8译码器，用8个I/O口作为段码信号直接接SM1-SM8的A段-H段。某一时刻，由片选信号CS0-C

44、S2选择SM3(CS0-CS2为011），相应的段码信号D0-D7输入要显示的段码序列（参考该数码管硬件手册），此时，由于只选中了SM3，因此在SM3上显示出所要的数据。当要多位数码管进行显示时，只要保持片选信号与要显示的数据的一致性（即选中某个数码管时，段码信号也同时为要显示的数据）即可。图3-53数码管显示模块3.6 适配处理部分为体现EDA工具本身的优势，加强资源利用率，本实验箱专门设计了适配处理部分。作为开放性的主要体现，本实验箱用扩展插槽接适配处理板的方式实现各种可编程处理芯片的扩展。由于PLD器件发展迅速，任何一款核心芯片固定的EDA实验箱都很难同步更新其核心PLD器件。 第四章系

45、统调试4.1 管脚的锁定如果仿真测试结果无误，就应该将设计编程下载到选定的目标器件中作进一步的硬件测试，以便最终了解设计项目的正确性。这就必须根据开发板的要求对设计项目的输入输出引脚赋予确定的引脚号，以便能够对其进行实测。确定设计电路对外的每一端口对应目标芯片的具体引脚，即将适合于该项目电路测试或实际应用的各端口指定FPGA目标器件的具体引脚，即引脚锁定。利用MAX+plusII ,有两种引脚锁定方式，我们使用常用的一种方式。通过选择MAX+plusIICompiler菜单，进入编辑窗口，然后在“Assign”项中选“Pin/Location/Chip”选项，在弹出的窗口中的“Node Nam

46、e”项中输入引脚名如CLK_BUTTON，这时“Pin Type”项会出现“Input”指示字，表明CLK_BUTTON的引脚性质是输入，否则将不出现此字。因此以同样的方法，分别锁定引脚U_D 、EN、CLK、START、Bearing、1和2 ，再单击上方的“OK”按钮。注意，关闭“Pin/Location/Chip”窗口后，应单击编辑窗口的“Start”，进行全程编译，才能将引脚信息编译进去。4.3 硬件调试在一台计算机上执行所编的程序，先进行编译，如果通过再进行硬件实验箱的调试。把电源打开，把各个模块的参数调试好。进行软件下载。通过设定值按钮对直流电机进行调速值设定，如果直流电机的速度与

47、设定值（设定值可通过设定值计数器的显示模块读取）相符合，则直流电机的PWM控制成功完成。否则，先检查软件是否有错，在检查硬件。但一般来说试验用的硬件不容易出错。参考文献1 侯伯亨.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计M.西安：西安 电子科技大学出版社，1999. 2 Xilinx Inc.The Programmable Logic Data BookZ.Xilinc Inc,USA: 19983 李宗伯 王蓉晖译, VHDL设计表示和综合, 北京,机械工业出版社 20024 边计年,薛宏熙译, 用VHDL设计电子线路 北京清华大学出版社 20005 王金明,杨吉斌,数字系统设计与VERILOG HDL北京电子工业出版社 20026 王锁萍 电子设计自动化(EDA)教程 成都电子科技大学出版社 20007 潘松 王国栋 VHDL实用教程(修订版)成都电子科技大学出版社会 20018 潘松 黄继业 编著 EDA技术实用教程 北京科学出版社 20059 杨则,龙海燕.VHDL与数字系统设计.北京电子工业出版社式2004 10 黄正瑾.在系统编程技术及其应用.南京东南大学出版社 1997 11 孟贵胥,王兢. 数字电子技术.大连理工