实验六 序列信号检测器的VHDL设计

一、实验目的

（1）进一步熟悉Quartus II软件和GW48-PK2S实验系统的使用方法；

（2）用状态机实现序列检测器的设计，了解一般状态机的设计与应用

二、实验内容

1. 基本命题

利用Quartus II实现一个8位的序列检测器设计；给出仿真波形。最后进行引脚锁定并进行测试，硬件验证设计电路对给定序列的检测功能。

2. 扩展命题

在上述设计基础上，通过修改设计，实现以最简便的预置方法，获得n位序列检测器的功能。

三、实验仪器与器材

计算机1台，GW48-PK2S实验箱1台，QuartusⅡ6.0 1套。

 

四、实验

1. 基本命题

① 总体设计

设计两个进程。

进程Com1：实现序列的检测

进程Com2：实现检测结果的输出

② 程序设计

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY SCHK IS

  PORT(DIN, CLK, CLR  :INSTD_LOGIC;--串行输入数据位/工作时钟/复位信号

        AB :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));--检测结果输出

END SCHK;

ARCHITECTURE behav OF SCHK IS

    SIGNAL Q :INTEGERRANGE0TO8;

    SIGNAL D :STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);   --8位待检测预置数

BEGIN

    D <="11100101"  ;--8位待检测预置数：密码：E5H

 Com1:PROCESS( CLK, CLR )

  BEGIN

  IF CLR = '1' THEN    Q <=0;

  ELSIF  CLK'EVENTAND CLK='1' THEN--时钟到来时，判断并处理当前输入的位

     CASE Q IS

      WHEN0=>  IF DIN = D(7)THEN Q <=1;ELSE Q <=0;ENDIF;

      WHEN1=>  IF DIN = D(6)THEN Q <=2;ELSE Q <=0;ENDIF;

      WHEN2=>  IF DIN = D(5)THEN Q <=3;ELSE Q <=0;ENDIF;

      WHEN3=>  IF DIN = D(4)THEN Q <=4;ELSE Q <=0;ENDIF;

      WHEN4=>  IF DIN = D(3)THEN Q <=5;ELSE Q <=0;ENDIF;

      WHEN5=>  IF DIN = D(2)THEN Q <=6;ELSE Q <=0;ENDIF;

      WHEN6=>  IF DIN = D(1)THEN Q <=7;ELSE Q <=0;ENDIF;

      WHEN7=>  IF DIN = D(0)THEN Q <=8;ELSE Q <=0;ENDIF;

      WHENOTHERS=>  Q <=0;

            ENDCASE;

    ENDIF;

  ENDPROCESS;

  Com2:PROCESS( Q )                                 --检测结果判断输出

  BEGIN

      IF Q =8  THEN  AB <="0001";     --序列数检测正确，输出 "1"

      ELSE      AB <="0011";           --序列数检测错误，输出 "3"

      ENDIF;

  ENDPROCESS;

END behav ;

 

 

③ 仿真分析

图6-1 仿真波形图

仿真预测：当输入的结果是预置序列的时候，输出0001；反之，输出0011。

④ 硬件测试

表1-1  SCHK在GWAC6板上目标芯片EP1C6Q240C8的引脚锁定信息

端口名称	端口符号	GWAC6板输入输出元件	GWAC6板接口	目标器件引脚	备注
输入引脚D	DIN	按键1	PIO1	233	模式No.5
清零端	CLR	按键2	PIO2	234
主频率	CLK	按键3	PIO3	235
4位数字量输出引脚	AB	数码管7	PIO40~47	161-164

 

图6-2引脚的配置

 

2. 扩展命题

① 总体设计

本命题通过改写case判断语句，将要检测的序列和序列的位数关联，通过IF语句对状态进行判断。

② 程序设计

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY SCHK IS

  PORT(DIN, CLK, CLR ,BIT_COUNT :INSTD_LOGIC;--串行输入数据位/工作时钟/复位信号/要检测的位数标识码

        AB :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));--检测结果输出

END SCHK;

ARCHITECTURE behav OF SCHK IS

    SIGNAL Q :INTEGERRANGE0TO8;

    SIGNAL D :STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);   --8位待检测预置数

    SIGNAL Count:INTEGERRANGE0TO8;      --要检测的位数(最多支持8位)

 

BEGIN

    D <="11100000"  ;--8位待检测预置数：--11100000

 Com1:PROCESS( CLK, CLR )

  BEGIN

  IF BIT_COUNT='0' THEN Count<=3;--判断要检测多少位

  ELSE Count<=4;ENDIF;

  IF CLR = '1' THEN    Q <=0;

  ELSIF  CLK'EVENTAND CLK='1' THEN--时钟到来时，判断并处理当前输入的位

        if Q=(Count+1)THEN Q<=0;ENDIF;--开始新的一轮的检测

        if(DIN = D(7-Q))THEN Q<=Q+1;ELSE Q<=0;ENDIF;--进行状态的检测

    ENDIF;

  ENDPROCESS;

  Com2:PROCESS( Q )                                 --检测结果判断输出

  BEGIN

      IF Q =(Count+1)  THEN  AB <="0001";     --序列数检测正确，输出 "1"

      ELSE      AB <="0011";           --序列数检测错误，输出 "3"

      ENDIF;

  ENDPROCESS;

END behav ;

 

 

③ 仿真分析

当BIT_COUNT为低电平的时候，实现4位序列检测器的功能；当BIT_COUNT为高电平的时候，实现5位序列检测器的功能。设待检测的序列为“11100000”。

图6-3 5位序列检测器波形图

 

④ 硬件测试

表1-2  SCHK在GWAC6板上目标芯片EP1C6Q240C8的引脚锁定信息

端口名称	端口符号	GWAC6板输入输出元件	GWAC6板接口	目标器件引脚	备注
输入引脚D	DIN	按键1	PIO1	233	模式No.5
清零端	CLR	按键2	PIO2	234
主频率	CLK	按键3	PIO3	235
检测位数标识	BIT_COUNT	按键4	PIO4	236
4位数字量输出引脚	AB	数码管7	PIO40~47	161-164

 

图6-4 引脚的配置

 

五、实验思考题

如果带检测预置数必须以右移方式进入序列检测器，那么该程序该做如何修改？

① 总体设计

同序列检测中数据右移输入的思路，但是我们这次不进行检测，收到什么就将其存入程序中的预置数变量中。我们需要额外设置一个输入变量，变量ISE用来标示是否进行预置数序列的输入，当ISE=1,输入口DIN用来输入预置数序列的;当ISE=0，输入口DIN用来输入要检测的序列。其中预置数序列的长度与BIT_COUNT相关。

② 程序设计

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY SCHK IS

  PORT(DIN, CLK, CLR ,BIT_COUNT,ISE :INSTD_LOGIC;--串行输入数据位/工作时钟/复位信号/要检测的位数标识码/预置数序列的输入使能

        AB :OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));--检测结果输出

END SCHK;

ARCHITECTURE behav OF SCHK IS

    SIGNAL Q :INTEGERRANGE0TO8;

    SIGNAL D :STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);   --8位待检测预置数

    SIGNAL Count:INTEGERRANGE0TO8;      --要检测的位数(最多支持8位)

 

BEGIN

 Com1:PROCESS( CLK, CLR )

  BEGIN

  IF BIT_COUNT='0' THEN Count<=3;--判断要检测多少位

  ELSE Count<=4;ENDIF;

  IF CLR = '1' THEN    Q <=0;

  ELSIF  CLK'EVENTAND CLK='1' THEN--时钟到来时，判断并处理当前输入的位

        if Q=(Count+1)THEN Q<=0;ENDIF;--开始新的一轮的检测

        --ISE=1的时候，开始预置数序列的输入

        if ISE='1' then D(7-Q)<=DIN;Q<=Q+1;

        else

        if(DIN = D(7-Q))THEN Q<=Q+1;ELSE Q<=0;ENDIF;--进行状态的检测

        endif;

    ENDIF;

  ENDPROCESS;

  Com2:PROCESS( Q )                                 --检测结果判断输出

  BEGIN

      IF Q =(Count+1)AND ISE='0'  THEN  AB <="0001";     --当序列数检测正确并且预置数使能为低电平的时候，输出 "1"

      ELSE      AB <="0011";           --序列数检测错误，输出 "3"

      ENDIF;

  ENDPROCESS;

END behav ;

 

③ 仿真分析

图6-5  带有预置数功能的4位序列检测器波形图

 

④ 硬件测试

表1-3  SCHK在GWAC6板上目标芯片EP1C6Q240C8的引脚锁定信息

端口名称	端口符号	GWAC6板输入输出元件	GWAC6板接口	目标器件引脚	备注
输入引脚D	DIN	按键1	PIO1	233	模式No.5
清零端	CLR	按键2	PIO2	234
主频率	CLK	按键3	PIO3	235
检测位数标识	BIT_COUNT	按键4	PIO4	236
预置数使能	ISE	按键5	PIO5	237
4位数字量输出引脚	AB	数码管7	PIO40~47	161-164

 

 

                         图6-6  引脚的配置