基于SOPC的彩灯控制器设计课程设计.doc
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湖南工程学院
课程设计
课程名称嵌入式系统课程设计
课题名称基于SOPC的彩灯控制器设计
专业电子科学与技术
班级0000
学号00
姓名
指导教师00000
2013年11月4日
设计内容与设计要求
一．设计内容：
采用SOPC技术设计一个彩灯控制器；
1、功能要求
1）配置NIOSII软核系统；
2）在基于Eclipse的NiosⅡ集成开发环境（IDE）上开发彩灯控制器
3）至少实现8个LED，3种以上的花色。
2、功能扩展
自拟
二．设计要求：
1．设计思路清晰，给出整体设计框图
2．NIOSII处理器选择配置合理；
3．仿真、调试、验证电路模块；
4．撰写设计报告。
主要设计条件
1.PC机电脑；
2.ED1SOPC实验开发系统。
说明书格式
1、课程设计封面；
2、课程设计任务；
3、说明书目录；
4、设计总体方案；
5、系统基本原理分析；
6、软件设计；
7、系统调试；
8、课程设计总结
9、参考文献；
10、课程设计成绩评分表。
进度安排
第一周星期一上午安排任务、讲课。
星期一下午---星期二下午查资料、设计
星期三开始软件设计仿真
第二周星期三——星期四
1、调试验收
2、写课程设计报告书
星期五答辩
地点：
嵌入式微处理器及SOPC实验室
参考文献
1、《SOPC嵌入式系统基础教程》北京航空航天出版社出版
2、《SOPC技术与应用》机械工业出版社
3、《SOPC技术实用教程》清华大学出版社
4、《挑战SOC--基于NIOSII的SOPC设计与实践》清华大学出版社
5、《NiosII嵌入式软核SOPC设计原理及应用》北京航空航天大学出版社
6、《FPGA与SOPC设计教程--DE2实践》西安电子科技大学出版社
目录
摘要 1
第一章绪论 2
1.1SOPC概述 2
1.1.1功能简介 2
1.1.2SOPC对的发展过程 2
1.1.3SOPC的优势 3
1.2NIOSII工具基本模块介绍 3
第二章彩灯控制器的设计 4
2.1设计要求 4
2.1.1设计任务 4
2.1.2设计内容 4
2.1.3设计要求 4
2.2设计思路 4
2.2.1设计流程图 4
2.2.2设计原理 5
第三章程序设定与分析 5
3.1时序控制部分 5
3.2发光二极管、数码管显示及扬声器控制程序 6
3.2.1花型A显示程序 6
3.2.2花型B显示程序 6
第四章波形仿真分析 7
4.1花型A波形仿真 7
4.2花型B波形仿真 8
4.3花型B波形仿真 9
心得体会 11
参考文献 12
摘要
21世纪，电子技术迅猛发展，高薪技术日新月异。
传统的设计方法正逐步退出史的舞台，取而代之的是基于EDA技术的芯片设计技术，它正在成为电子系统设计的主流。
大规模可编程器件现场可编程门阵列SOPC和复杂可编程逻辑器件CPLD是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路。
近年来,EDA技术高速发展使现代电子产品向着功能多样化，体积最小化,功耗最低化的方向发展。
它与传统电子产品在设计上的显著优势就是:
第一大量使用大规模可编程逻辑器件，以提高产品性能，缩小产品体积，降低功耗。
第二是广泛运用现代化计算机技术,以提高电子设计自动化程度,缩短开发周期,提高产品的竞争力。
所以掌握这方面的应用极其重要，本题目就是基于SOPC这一技术完成实现的。
众所周知，彩灯、流水灯、装饰灯等在日常生活和商业都有极其广泛的应用。
具有很高的商业价值和研究价值。
而对于越来越变化多端要求极高的灯饰行业，相对传统的单片机来说，SOPC的性价比越来越高，功能强大能轻松的完成对彩灯的控制。
本题目基于SOPC技术设计彩灯控制器。
初步实现SOPC技术在灯饰行业的简单应用，为深入提供了一些有价值的参考资料。
第一章绪论
1.1SOPC概述
System-on-a-Programmable-Chip，即可编程片上系统。
用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。
可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：
首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。
1.1.1功能简介
SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。
由于SOPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：
逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。
同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪ChipScopeILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具。
1.1.2SOPC对的发展过程
一直以来,在开发一个典型的系统时,设计人员仍不得不采用各种昂贵的,分立的模拟器件配合可编程逻辑器件或者混合信号的ASIC作为解决方案.而SOPC是具有所有这些属性的现成部件,利用它可以方便的选择器件来构成一个系统,而且可以根据系统的需要对处理器的资源进行裁剪.此外,由于各个器件之间通过总线的链接是自动生成的,这就大大缩减了系统的开发周期,也因此,针对于特定器件IP核的设计以及IP核的重用成为SOPC技术的发展的关键.与传统方法相比,SOPC的设计方法必须有根本的改变,即从以功能设计为基础的传统流程,转变到以功能组装为基础的全新流程.
1.1.3SOPC的优势
SOPC技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统,包括嵌入式处理器系统,接口系统,硬件协处理器或加速器,DSP系统,数字通信系统,存储电路以及普通数字系统等,在单一可编程片上系统中实现,使得所设计的系统在规模,可靠性,体积,功耗,功能,性能指标,上市周期,开发成本,产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化,而这也是SOPC技术发展的根本方向.目前SOPC的发展趋势主要体现在以下四个方面:
一是向更高密度,更大容量的千万门系统级方向迈进;二是向低成本,低电压,微功耗,微封装和绿色化方向发展;三是IP资源复用理念将得到普遍认同并成为主要的设计方式;四是嵌入式处理器IP将成为SOPC的核心.
1.2NIOSII工具基本模块介绍
能够满足任何应用32位嵌入式微处理器的需要，客户可以将第一代Nios处理器设计移植到某种NiosⅡ处理器上，Altera将长期支持现有FPGA系列上的第一代Nios处理器。
另外，Altera提供了一键式移植选项，可以升级至NiosⅡ系列。
NiosⅡ处理器也能够在HardCopy器件中实现，Altera还为基于NiosⅡ处理器的系统提供ASIC的移植方式。
NiosⅡ处理器具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环境（IDE）、JTAG调试器、实时操作系统（RTOS）和TCP/IP协议栈。
设计者能够用AlteraQuartusⅡ开发软件中的SOPCBuilder系统开发工具很容易地创建专用的处理器系统，并能够根据系统的需求添加NiosⅡ处理器核的数量。
使用NiosⅡ软件开发工具能够为NiosⅡ系统构建软件，即一键式自动生成适用于系统硬件的专用C/C++运行环境。
NiosⅡ集成开发环境（IDE）提供了许多软件模板，简化了项目设置。
此外，NiosⅡ开发套件包括两个第三方实时操作系统（RTOS）——MicroC/OS-Ⅱ（Micrium），NucleusPlus（ATI/Mentor）以及供网络应用使用的TCP/IP协议栈。
长期以来，Altera一直推行嵌入式处理器战略的原因是，随着应用的ASIC开发日益受到成本的困扰，OEM日渐转向FPGA来构建自己的系统。
这些系统中绝大多数需要一个处理器，而Altera正是为设计者提供了为FPGA优化的灵活的嵌入式处理器方案，可以满足16位和32位嵌入式处理器市场的需求。
第二章彩灯控制器的设计
2.1设计要求
2.1.1设计任务
基于SOPC的彩灯控制器设计。
2.1.2设计内容
采用SOPC技术设计一个彩灯控制器；
功能要求
（1）配置NIOSII软核系统；
（2）在基于Eclipse的NiosⅡ集成开发环境（IDE）上开发彩灯控器。
（3）至少实现8个LED，3种以上的花色。
2.1.3设计要求
（1）设计思路清晰，给出整体设计框图；
（2）NIOSII处理器选择配置合理；
（3）仿真、调试、验证电路模块；
2.2设计思路
2.2.1设计流程图
彩灯控制器时序控制部分（分频器）
数码管
动态显示
发光二极
管动态显示
扬声器发生控制
复位
图1-1彩灯控制器的设计流程图
2.2.2设计原理
彩灯控制器的设计核心主要是分频器的使用，显示部分的设计较简易。
分频的方法有很多种，本次设计采用了其中较简易的一种，通过计数器的分频，将控制器外接的频率分为几个我们预先设定的值。
当计数器达到预先设定的值，即产生一个上升沿，从而实现分频。
扬声器通过不同的频率控制发出不同的声音。
同样发光二极管和数码管的显示速度也由其中分出来的一种频率控制（控制显示频率在1~4之间为宜）。
通过使能端的控制可以控制不同的数码管显示预先设定的图案，数码管依次显示的图案为AA、BB、CC，并随着发光二极管同步动态显示。
AA为自左向右显示，BB为自右向左显示，CC从二边向中间再由中间向二边发散显示。
与此同时，显示不同的花型时扬声器发出不同的声音，代表不同的花型。
本次设计还带有复位功能，通过复位可以使彩灯控制器恢复到最初的状态。
第三章程序设定与分析
3.1时序控制部分
定义4个信号，cq,cllk1,clk2,clk3。
第一次分频，为50分频，当clk发生变化，使a从000000变化到110010时产生一个上升沿clk1。
如果a没有变化到110010则a继续自加，直到110010为止产生下一个上升沿。
对clk进行25分频，原理同上，产生信号clk2。
对clk进行8分频，产生一个新的时钟脉冲信号clk3。
对clk2再进行一次分频，当clk2发生变化，并且变化为上升沿时，z就加1，直到加到为20时，s就发生变化，加1，每当s发生变化，加到30时，s就加1。
当s从00000变化到10111时，就对s清零，从而实现数码显示管和发光二极管的循环显示，以达到显示速度的要求。
3.2发光二极管、数码管显示及扬声器控制程序
3.2.1花型A显示程序
当敏感信号s发生变化，对数码管进行置位和置型，0001000也就是对相应的数码管使之显示花型为A，通过对数码管使能端的置位，控制显示的数码管显示为AA，并且发光二极管最右边显示为亮。
当S每变化一次，数码管向左移动一格，发光二极管也同步向左移动，每次只亮一个灯。
当s变化到00111之后执行下一段程序，同时扬声器发出声音。
3.2.2花型B显示程序
当敏感信号s发生变化至01000时，对数码管进行置位和置型，0000011也就是对相应的数码管使之显示花型为B，通过对数码管使能端的置位，控制显示的数码管显示为BB，并且发光二极管最左边显示为亮。
当S每变化一次，数码管向右移动一格，发光二极管也同步向右移动，每次只亮一个灯。
当s变化到01111之后执行下一段程序，同时扬声器发出声音。
当敏感信号s发生变化至10000时，对数码管进行置位和置型，1000110也就是对相应的数码管使之显示花型为C，通过对数码管使能端的置位，控制显示的数码管显示为CC，并且发光二极管最左边第一个和最右边第一个显示为亮。
当S每变化一次，数码管向中间移动一格，发光二极管也同步中间移动，可以看到由二边向中间移动再发散到二边的变化过程。
当s变化到10111之后执行再循环显示A花型，同时扬声器发出声音。
第四章波形仿真分析
4.1花型A波形仿真
程序经过编译之后即可进行波形的仿真，为了方便观察显示结果，这里调节仿真时间为3us,脉冲频率clk的周期为5ns，复位信号暂且不进行仿真.。
执行Quartus软件中的processing-->startsimulation选
即可观察到波形仿真图像。
如下图所示为显示花型AA的仿真结果。
图4-1花型A波形仿真图
由图4-1可知，当clk发生变化，来上升沿时，led7s1为0001000即数码管首先显示为花型A二极管按规定的显示，首先led7s2位01111111即最右边的二极管亮灯，led_selout为11000000即最右边的2个数码管显示2个A的花型。
当clk变化到规定次数时二极管的显示开始按左移动，数码显示管也向左移动。
Led7s2依次变化01111111~11111110，实现二极管的向左移动；led_selout也依次变化11000000~00000011实现数码显示管的向左移动。
同时当clk信号变化50次时产生一个上升沿clk1，控制扬声器发出声音。
4.2花型B波形仿真
图4-2花型BB的波形仿真图
由图4-2可知，当clk发生变化，来上升沿时，led7s1为0000011即数码管首先显示为花型B二极管按规定的显示，首先led7s2位11111110即最右边的二极管亮灯，led_selout为00000011即最右边的2个数码管显示2个B的花型。
当clk变化到规定次数时二极管的显示开始向右移动，数码显示管也向右移动。
Led7s2依次变化11111110~01111111，实现二极管的向右移动；led_selout也依次变化00000011~11000000实现数码显示管的向右移动。
同时当clk信号变化25次时产生一个上升沿clk2，控制扬声器发出声音。
4.3花型B波形仿真
图4-3花型C的波形仿真图
由图4-3可知当clk发生变化，来上升沿时，led7s1为1000110即数码管首先显示为花型C二极管按规定的显示，首先led7s2位01111110即最右边和最右边的二极管亮灯，led_selout为10000001即最右边和最左边的2个数码管显示2个C的花型。
当clk变化到规定次数时二极管的显示开始向中间移动，数码显示管中的花型也向中间移动，然后再由中间向俩边移动。
Led7s2依次变化01111110~11100111~01111110，实现二极管的向中间移动再向俩边移动；led_selout也依次变化10000001~00011000~10000001实现数码显示管的向中间再向俩边移动。
同时当clk信号变化8次时产生一个上升沿clk3，控制扬声器发出声音。
心得体会
本次设计的是彩灯控制器的设计，当决定选这个课题的时候经过分析就知道关键是计数器和分频器的使用，分频的方法有很多种，对于同一种功能的实现，用VHDL可以采用多种方式进行描述，每种方式之间各有优劣，本次设计只采用了其中较简单的一种，应尽量用最简洁的语言写出所需功能的程序。
通过这次课程设计对ＥＤＡ技术有了更进一步的熟悉，VHDL语言和Ｃ语言等其他语言还是有很大的区别。
VHDL是EDA技术的重要组成部分，其具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。
其主要的也是最大的优点就在于设计者可以专心致力于其功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。
在实际操作中发现设计和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个简单的原理要把它应用以及和其他功能综合起来就有些困难。
通过设计也巩固了我们的书本知识以及通过借阅书籍和上网查找资料，也丰富了自己对EDA的了解。
不过本次设计也存在一些不足，暴露了自己对EDA的掌握还有所欠缺。
在设计过程中，分频分的太大，频率太小的话，扬声器的声音体现不出显示不同花型时的区别；频率太大的话，数码管显示速度太快，尝试分频时使用不同的脉冲信号，但没有成功。
在反复调试中，最后还是成功了，但原理还不是很清楚。
同时，在课程设计过程中通过与同学的交流及上网查找相关资料，也了解了他们对于这门技术的看法和今后这门技术的发展方向。
总的来说，这次设计还是有所收获的。
参考文献
1、《SOPC嵌入式系统基础教程》北京航空航天出版社出版
2、《SOPC技术与应用》机械工业出版社
3、《SOPC技术实用教程》清华大学出版社
4、《挑战SOC--基于NIOSII的SOPC设计与实践》清华大学出版社
5、《NiosII嵌入式软核SOPC设计原理及应用》北京航空航天大学出版社
6、《FPGA与SOPC设计教程--DE2实践》西安电子科技大学出版社
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性（10%）
硬件设计或软件编程完成情况（10%）
硬件测试或软件调试结果*（10%）
设计说明书质量（10%）
设计图纸质量（10%）
答辩汇报的条理性和独特见解（10%）
答辩中对所提问题的回答情况（10%）
完成任务情况（10%）
独立工作能力（10%）
出勤情况（10%）
综合评分
指导教师签名：
________________
日期：
________________
注：
①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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