FPGA设计显示电压值

随着电子技术的飞速发展，数字电压表在电压测量领域的作用显得更加重要，本次实训课程旨在掌握基于FPGA的数字电压表设计。本次设计在Quartus
II 环境下进行，以Verilog HDL语言实现分频、模数转换、数码管显示、led灯蜂鸣器声光报警等系统所需模块。利用层次化、模块化的开发的方法完成设计，并进行波形仿真。利用SignalTap II完成系统的在线调试与验证。

设计内容：

（1）可以动态采集开发板上数字电位器调节产生的电压，电压采集精度为1%；

（2）具有复位按键，系统具有整体复位功能；；

（3）数码管显示采集到的电压值，显示内容为Ux.xxx 共计5个字符,其中U为数码管0最上面那行不亮，整数位1位，小数位3位，后面有小数点；

（4）系统具有上下阈值报警功能，阈值可以自己设定，便于修改。测量电压值超过阈值上限，则蜂鸣器响，4个led闪烁，闪烁频率4Hz；测量电压值超过阈值下限，则蜂鸣器响，4个led闪烁，闪烁频率2Hz；

超过阈值上限与超过阈值下限蜂鸣器驱动频率要有明显区分（超过阈值上限蜂鸣器声音比超过阈值下限急促）；

（5）可以自行发挥，增加自己认为有必要增加的功能，比如自动调节量程、带时钟现实的数字电压表等。

设计要求：

（1）系统功能分析，分模块层次化设计，实现系统功能的方案设计;

（2）根据任务要求确定状态关系，如有需要画出状态转换图；

（3）编写各功能模块 Verilog HDL语言程序;

（4）对各功能模块进行编译、综合、仿真和验证;

（5）整个系统进行编译、
综合、仿真和验证;

（6）利用SignalTap II完成系统的在线调试与验证

（7）在FPGA实验开发系统试验板上进行硬件验证;

（8）完成实训报告。

实训题目具体设计过程记录（图、表或程序等）

顶层功能设计与描述

将模块连接在一起，tcl_549采集8位信号通过AD转换将数据传给conv_crtl,根据公式转换成电压值，将8位数据转换成12位数据 ，然后同时传给后边的报警模块和bin_bcd模块，warning模块根据判断传过来的数据是否在规定的范围之内，如果在范围只能，灯和蜂鸣器都不工作，如果超出范围就发出警报。bin_bcd模块进行二进制转bcd码变成数码管可以识别的形式，将数值显示在seven_tube数码管上。

2、分功能模块设计与描述（涉及到状态转移表、分段式状态转移列表、流程图的也需要进行描述，分功能模块需要有波形仿真图，波形仿真图需要进行简单说明）

2.1.tlc_549_ad_driver模块

根据数据手册上cs_n拉低1.4微秒（1/50mhz=20ns，2070节拍）开始计数，所以节拍从71开始+25（1.1MHZ≈1MHZ 1/1_000hz=1000ns）（2025*2=1000ns是一个小周期）），cnt+1，上升沿采集信号，下降沿输出信号。同时在446节拍时采样结束，在447节拍时输出采样数据。477-1300节拍对应传输数据时间17微秒。

2.2 conv_ctrl模块

输入的8位数据code通过公式Vref（基准电压） * code / 256= data_temp 得到12位数据data_temp。

2.3 bin_bcd模块

  bin_bcd模块进行二进制转bcd码变成数码管可以识别的形式。

2.4
seven_tube模块

  根据bin_bcd模块进行转换后得到的对应的BCD码在数码管上显示出来。Sel为位选，seg为段选，通过3-8译码器选择位数，根据手册控制seg使显示字符。

2.5 warning模块

12位数据传入警告模块中，将12位的数据进行判断是否在控制的范围之内，如果在范围之内，则flag1和flag2都为0，如果大于最大值，输出信号flag1=1，小于最小值输出信号flag2=1，由这两个信,控制后边的蜂鸣器模块中和灯模块，当其大于1000时，flag1=1，led闪烁频率为4Hz，并且蜂鸣器beep开始工作，频率为5kHz；当其小于900时，flag2=1，led闪烁频率为2Hz，并且蜂鸣器beep开始工作，频率为10kHz；

运行测试结果分析（SignalTap II完成系统的在线调试与验证并截图说明）

当code为十进制113时，data_temp为113 * 2500 / 256 =1104，高于上限阈值1000，故warning模块反应，led开始闪烁，同时蜂鸣器开始工作。

总结及分析

本次实训，我们熟悉了quartusII软件编程环境，学会了如何使用verilog hdl语言编写程序，这几天我们学学习了如何建立文件夹能让我们提高效率，还有如何编写测试程序，同时我们学习了模块代码的编写，包括计数器的编写，分频模块的编写，电压转换模块代码的书写，状态机的编写和数码管的设计，以及利用线性序列机的思想对tcl549芯片进行ad转换，还有bcd转化模块代码的书写，然后把我们前几天学习的模块连接起来，tcl_549采集8位信号通过AD转换将数据传给conv_crtl,根据公式转换成电压值，将8位数据转换成12位数据 ，然后同时传给后边的报警模块和bin_bcd模块，warning模块根据判断传过来的数据是否在规定的范围之内，如果在范围只能，灯和蜂鸣器都不工作，如果超出范围就发出警报。bin_bcd模块进行二进制转bcd码变成数码管可以识别的形式，将数值显示在seven_tube数码管上。

老师验收的时候让我把报警模块中的灯闪烁次数改为10次，

通过控制灯闪烁次数的范围，控制flag信号的输出状态，从而达到控制灯亮灭的状态。

本次实训，我们对FPGA有了一个大概的了解，FPGA设计的主要难点是熟悉硬件系统以及内部资源，保证设计的语言能够实现元器件之间的有效配合，提高程序的可读性以及利用率。我们的动手能力大大提高，不仅仅是停留在理论知识层面上，这对我们以后找工作打下了基础。