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实验课程基本情况 实验课件及资源下载 课程答疑与交流 实验项目列表
实验一 ISE6.2软件的基本操作介绍
实验二原理图输入与仿真及由原理图生成元器件模块实验
实验三 VHDL设计输入及时钟频率仿真和测试
实验四 运用模板设计VHDL 及符号编辑工具的运用
实验五 状态图设计输入及STATE BENCH 的应用
实验六 顶层为原理图的能显示16进制减法计数器设计
实验七 顶层为原理图的设计输入的总体仿真及设计约束和设计实现
实验八 顶层为VHDL的秒表设计
实验九 程序包及元件例化设计
实验十 时钟芯片设计
实验十一 彩灯控制器
实验十二 数字式频率
实验十三 地铁售票机
实验十四 电子音乐发生器的VHDL设计
实验十五 交通灯控制器
实验十六 电梯控制器设计
实验十七 键盘输入及显示的电路设计
实验十八 8X8三色点阵显示器设计


课程介绍 |

可编程器件是依托计算机技术发展而兴起的数字电子设计新技术,以其设计方式的数字化和人性化以及工作的高精度和高效率已成为数字电路设计者的首选。可编程器件具有以下优点:第一是芯片容量大,其单片逻辑门数已达到上百万,所能实现的功能越来越强大,同时还可以实现系统集成;第二是质量可靠,芯片在出厂前100%都做过测试,不需要设计人员承担硬件的质量风险;第三是可重复使用,使用FPGA/CPLD芯片,用户可以反复地编程、擦除或者在外围电路不动的情况下,用不同软件可实现不同的功能;第四可编程器件的开发软件平台提供计算机仿真和在线修改功能。

为了配合可编程器件教学及学生对可编程器件知识的掌握和对可编程器件技术的运用,开设了可编程器件实验课程。可编程器件设计分为设计输入、功能仿真、综合优化、实现、时序仿真与验证、调试与配置下载等六个步骤。 实验安排分为三大部分:

第一部分从可编程器件开发软件操作及应用学习入手,通过设计输入(原理图输入、VHDL硬件描述语言输入、状态图输入)、软件功能仿真学习初步了解可编程器件的设计方法与传统的设计方法的不同及优势,掌握可编程器件开发平台软件的基本操作和进行设计输入和软件功能仿真的方法。 

第二部分进行简单的数字电路功能模块设计与硬件实现,通过该部分实验要求学生对于可编程器件的设计输入方法、仿真手段有了更感性的了解。同时学习可编程器件硬件验证实验装置的使用方法,可以将所设计并通过总体软件仿真的的设计电路下载至硬件验证实验装置,能直观的检测设计结果是否正确。体会软件仿真与硬件实现之间的相互关系和区别。初步建立用可编程器件进行数字电路设计的方法。该部分实验项目包括计数器、分频器、控制电路、译码电路等。

第三部分进行综合实验设计。要求学生根据综合设计题目进行框图、功能模块、接口电路设计,并完成分模块及总体软件仿真,通过优化、编译下载至硬件实验装置来验证设计结果,当硬件验证不能满足设计要求,学生应根据功能仿真、时序仿真及相关现象来分析、解决设计缺陷。培养学生在可编程器件设计方面的实际工作能力。
   
    VHDL语言描述设计。通过单模块及总体电路的设计、仿真、调试修改,最后下载至芯片,使学生掌握最基本的可编程器件设计电路的步骤和方法,为第三部分有一定难度的可编程器件综合实验设计做好准备。

电子可编程器件是电子技术的“软件化”设计方法的趋势和CPU设计的基础,2000年我们与Xilinx公司建立了合作关系,利用Xilinx公司的软件和购置的实验设备进行电子可编程器件课程的教学与实验,随着技术的发展和更新,Xilinx公司推出了更新版本的软件和器件,使得实验设备满足不了更新版本的软件和器件的实验,实验中心的实验教师研究新技术,自主开发了电子可编程器件核心板,使得旧设备在新的软件和新的器件的环境下得以使用。先进技术和先进的实验设备和调试工具是实验技术的先进性的重要标志之一。现在本中心将要与Xilinx公司建联合实验室,进一步提升工程实践的水平。运用当代先进实验技术和方法,尤其是不断引入计算机发展中的新技术、新方法是计算机与信息技术基础实验教学的显著特征。在设备更不上先进技术的情况下,进行设备的部分部件及接口的自主开发,也是盘活旧设备,紧跟先进技术的步伐的重要手段。

教学大纲 |

一、课程性质与目的

本课程是一门实验课.通过本课程的学习,使学生初步掌握EDA工具的使用,能够用硬件描述语言进行数字系统的设计、仿真和逻辑综合,并用PLD器件实现。

二、课程面向专业

电子科学与技术,电子信息工程、通信工程、自动化等电子电气类专业。

三、实验基本要求

熟悉XILINX ISE 7.2开发工具的使用,初步掌握原理图和硬件描述语言VHDL进行数字系统的设计的方法,能够在EDA工具的支持下,对VHDL程序进行仿真和逻辑综合。

完成二个综合性设计课题,用PLD实现,并在实验装置上演示。

四、实验教学基本内容

ISE7.2的基本操作,设计输入实验,原理图设计和仿真,硬件描述语言设计和仿真。

综合性设计实验和验证。

五、实验内容和主要仪器设备与器材配置

序号

实验项目

内容提要

实验类别

实验学时

主要仪器设备

设备复套数

主要消耗材料

所在实验室

验证

综合

设计

1

基本操作实验

了解ISE7.2的基本功能和操作

 

 

1

2

PC机, ISE7.2开法软件

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

2

原理图输入与仿真及由原理图生成元件模块实验

完成原理图输入,并将其进行VHDL转换和仿真

 

 

1

3

同上

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

3

VHDL设计输入及时钟频率仿真和测试实验

学习VHDL的设计输入方法

 

 

1

2

同上

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

4

语句模板的运用实验

运用语句模板及符号编辑工具设计VHDL

 

 

 

2

同上

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

5

状态图设计输入方法实验

学习状态图设计输入方法和STATE BENCH的应用

 

 

1

2

同上

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

6

顶层为原理图的16进制减法计数器设计实验(1

用原理图设计的方法设计具有数字显示功能的16进制减法计数器

 

 

1

2

 同上

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

7

顶层为原理图的16进制减法计数器设计实验及硬件验证

学习硬件验证实验装置的使用

 

 

1

3

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

8

顶层为VHDL的秒表设计实验及硬件验证

VHDL设计数字秒表

 

 

1

2

PC机, ISE7.2开法软件

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

9

顶层为VHDL16进制减法计数器设计实验及硬件验证

用顶层为VHDL的方法设计一功能模块

 

 

1

2

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

10[]

彩灯控制器

设计一个彩灯控制芯片。

 

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

11[]

数字式频率计

设计一个数显频率计芯片。

 

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

12[]

地铁售票机

设计一个能实现地铁售票机功能的芯片。

 

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

13[]

电子音乐发生器的VHDL设计

设计一个音乐发生器芯片。

 

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

14[]

电梯控制器的设计

设计一个电梯运行控制芯片。

 

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

15[]

键盘输入及显示的电路设计

设计一个键盘输入输出显示芯片。

 

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

16]

8X8点阵显示器设计

设计点阵显示控制芯片。

 

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

17[]

数字时钟芯片设计实验

设计一个电子数字时钟芯片,用LED显示,

 

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

18[]

交通灯控制器设计实验集成电路

院中心实验室

 

1

7

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

19

程序包及元件例化设计

学习元件例化、程序包建立的方法及其应用

 

 

 

3

同上及LP2900实验台

35

XC2S50TQ144-6集成电路

院中心实验室

     注:每个学生可从综合性实验中任选几个.

六、实验预习和实验报告的要求、考核方式

实验预习要求:对于验证性实验,根据给定框图编制程序;

对于综合及设计性实验,根据实验要求自行设计线路、框图和程序。

实验报告要求:对于验证性实验,要求有框图、程序、注释,做思考题;

对于综合及设计性实验,要求有框图、程序、注释,做思考题,画出实验设计线路图并分析其功能。

考核方式:学生每完成一个实验后,应给出演示结果。

七、学时分配

总学时

理论课学时

实验学时

习题学时

现场实践学时

上机学时

考核学时

34

 

32

 

 

 

2

教学计划 |

实验序号
实验项目名称
实验
学时
每组人数
每批组数
实验开设时间
(第 周星期 第   节)
实验地点
每人每时消耗材料费(元)
备注
1
ISE6.2软件的基本操作介绍
2
1
48
第六周星期四1.2节课
H317
2
 
2
原理图输入与仿真及由原理图生成元器件模块实验
2
1
48
第七周星期四1.2节课
H317
2
 
3
VHDL设计输入及时钟频率仿真和测试   
2
1
48
第八周星期四1.2节课
H317
2
 
4
运用语言模板设计VHDL及符号编辑工具的运用
2
1
48
第九周星期四1.2节课
H317
2
 
5
状态图设计输入及state bench 的应用
2
1
48
第十一周星期四1.2
H317
 2
 
6
顶层为原理图的能显示16进制减法计数器设计
2
1
48
第十二周星期四1.2节课
H317
2
 
7
2
1
48
第十三周星期四1.2节课
H317
2
 
8
数字式频率计设计(综合实验) 附加设计:其它综合实验任选一
2
1
48
第十四周星期四1.2节课
H317
2
 
9
2
1
48
第十五周星期四1.2节课
H317
2
 

参考文献 |

教材、实验指导书及参考资料:

1.            罗胜钦. 数字集成系统芯片设计, 北京希望电子出版社, 2002.9

2.            P.J.Ashenden, 葛红, 黄河, 吴继明译. VHDL设计指南, 机械工业出版社, 2005.6

3.            陈捷. 可编程器件实验指导书, 同济大学电子信息工程学院中心实验室, 2004.12

典型案例
地铁售票机 [实验报告:040462栾西] [实验例程] [仿真实验演示]

地铁售票机功能

1. 地铁自动式售票机有3元和2元两种票,只能投入5角和1元两种硬币。投入硬币时显示屏幕上显示当先投入的钱数。

2. 当投入的钱数等于所选票价时,自动给出车票(在试验中用发光二极管表示)。

3. 如果钱数超过了所选票价,则退还所有钱(显示屏清零,退还硬币的提示用发光二极管表示)。

4. 如果按“取消”,则同样退还所有钱。

地铁售票机设计框图

地铁售票机工作原理说明

    用money信号表示所选票价,用node1和node2分别表示投入1元和5角,dis1,dis2,cancel三个发光二极管分别表示执行给出3元票、2元票和退还硬币三种不同的操作;实验中,en接sw1开关,money接sw2开关,node1接sw3开关,node2接sw4开关,clr接sw5开关;在yuan模块中,当node1按下时,输出元数自动加1送入add相加模块;在jiao模块中,当node2按下时,若已经按下奇数次,则输出角数为5,偶数次则为0.并且每次按下偶数次时,另一个cout输出加1,相当于两个5角为1元。将这两个输出信号同时送入add相加模块;在add相加模块中,输出信号y1为yuan模块输入和jiao模块进位输入之和,y2为角模块的角数(为5或为0);若clr信号为1,表示按了取消键,cancel置1,与其相连的发光二极管亮,表示退还所有硬币;若clr为0,判断money的值,若为1表示选取3元的票,此时若y1为3,y2为0,则dis1置1,表示给出3元车票,同时y1和y2置零;若y1为3,y2为5,则cancel置1,表示金额超出,退还硬币;若上一步money值为0,表示选取2元的票,此时若y1为2,y2为0,则dis2置1,表示给出2元车票,同时y1和y2置零;若y1为2,y2为5,则cancel置1,表示金额超出,退还硬币;将dis1、dis2、cancel信号与输入clr信号共同通过一个“或”门,连接到yuan和jiao模块的清零段,表示无论哪个发光二极管亮,或者人为清零,两个模块计数全部清零。两计数模块清零后,add模块的y1和y2也变为0,则显示屏上显示“0“;在add模块中输出的y1和y2,结果扫描电路、2选1电路和共阴极七段译码电路输出到显示屏上。

地铁售票机及其主要模块仿真波形图

——5角计数器模块jiao

——1元计数器模块yuan

——add相加电路器模块

引脚设置