基于CPLD的四位計數(shù)顯示

梅李林　趙瑛　沈祖斌

【摘 要】設(shè)計的計數(shù)器能實現(xiàn)從0到9999的計數(shù)，并具備清零功能。計數(shù)器采用原理圖層次化設(shè)計的方法，用四位七段數(shù)碼管顯示。通過分時復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)碼管的分時復(fù)用和熄滅前導(dǎo)零。運用QuartusⅡ軟件進行設(shè)計和功能仿真，最終下載到EPM240T100C5N開發(fā)板上驗證。

【關(guān)鍵詞】CPLD；分時復(fù)用；前導(dǎo)零；多位計數(shù)

0 引言

CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL發(fā)展出來的器件，是一種用戶根據(jù)自身需要而自行構(gòu)造邏輯功能的可編程數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計方法是使用集成開發(fā)軟件平臺，采用多種輸入方法，如原理圖、硬件描述語言、狀態(tài)圖及輸入輸出響應(yīng)法等，并生成相應(yīng)的目標(biāo)文件。通過下載電纜將構(gòu)造代碼下載到目標(biāo)芯片中，實現(xiàn)所設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。

使用的集成開發(fā)軟件平臺為QuartusⅡ。QuartusⅡ為Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件，具有原理圖、VHDL、VerilogHDL、AHDL和Megafunction等多種設(shè)計輸入方式，內(nèi)嵌有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。

一般來說，QuartusⅡ軟件開發(fā)平臺為使用者給予了和結(jié)構(gòu)基本無關(guān)系的全集成化環(huán)境。把軟件布局、軟件布線以及軟件系統(tǒng)的驗證都全部放入到一個無縫環(huán)境中，使設(shè)計人員可以非常方便快捷地對 PLD 產(chǎn)品實現(xiàn)設(shè)計輸入、編譯、仿真以及器件編程下載。QuartusⅡ平臺匯集了包括概念設(shè)計、算法開發(fā)、建模仿真等集成環(huán)境，是一款綜合性非常強的開發(fā)軟件，能夠很好地實現(xiàn)自設(shè)計輸入至硬件配置的完整 PLD 設(shè)計方法及步驟流程，是能夠在一個相對單一的特定設(shè)計空間內(nèi)，給予一系列綜合、仿真和下載的軟件工具，這對加強硬件系統(tǒng)設(shè)計的環(huán)境有著積極的意義。

設(shè)計四位計數(shù)器中使用了原理圖的方式，在QuartusⅡ上來描敘整個設(shè)計流程，同時采用功能仿真的方式來進行結(jié)果的驗證，并經(jīng)過下載電纜將構(gòu)造代碼寫入EPM240T100C5N開發(fā)板中進行最終的驗證。采用分時復(fù)用技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)碼管的控制，分時復(fù)用技術(shù)是用一條線路傳輸多路數(shù)據(jù)，基于分時段使用同一線路的技術(shù)。在此設(shè)計中，有四個七段數(shù)碼管，若不用分時復(fù)用技術(shù)則每個七段數(shù)碼管都需要與之對應(yīng)的引腳和譯碼器，一共需要28（7*4）個引腳和四個譯碼器。而使用分時復(fù)用技術(shù)只需要一個數(shù)碼管的引腳加上四個位選的引腳，一共只需11（7+4）個引腳和一個譯碼器。這對于系統(tǒng)I/O資源緊張的設(shè)計是個有效節(jié)省I/O資源的方法，并節(jié)省設(shè)計的成本。

1 設(shè)計四位計數(shù)器

四位計數(shù)采用74LS161的同步置數(shù)法，每一位的計數(shù)狀態(tài)為（0000）→（0001）→（0010）→（0011）→（0100）→（0101）→（0110）→（0111）→（1000）→（1001）→（0000）。四位計數(shù)使用4個74LS161級聯(lián)，分別表示個位十位百位千位，最大能表示的數(shù)為9999。采用原理圖層次化設(shè)計的方式，將4個74LS161的CLK時鐘脈沖輸入端串連在一起。計數(shù)采用同步置數(shù)法，使用個位的進位使十位CEP和CET使能。每當(dāng)有一個進位到來的時候上一位使能一次，在時鐘脈沖的作用下加1。這樣就實現(xiàn)了初步的計數(shù)器。

于是發(fā)現(xiàn)一個問題：當(dāng)十位為8的時候，個位的進位信號到來會使十位為9。由于采用的置數(shù)法，當(dāng)十位數(shù)中當(dāng)出現(xiàn)1001的時候，就會產(chǎn)生一個進位信號并且會重置當(dāng)前位。這就導(dǎo)致計數(shù)器十位百位千位的9不能正常顯示。

經(jīng)過對這個現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)是在進行計數(shù)器設(shè)計的時候，沒有考慮到十位百位千位重置問題，簡單的以為和個位一樣出現(xiàn)9就重置并產(chǎn)生進位。通過對計數(shù)原理和同步置數(shù)法的分析，發(fā)現(xiàn)十位百位千位的重置不是出現(xiàn)9就重置。例如十位，如果要將十位數(shù)重置為0，只有當(dāng)十位本身為9且個位產(chǎn)生下一個進位的時候，才能重置十位并給百位一個進位信號。設(shè)計的思路為當(dāng)脈沖到來時開始計數(shù)，產(chǎn)生的進位信號直接給上一位數(shù)，上一位數(shù)由于有進位信號的使能于是加1。如果十位要給上一位進位信號且重置自身，那么就需要下一個進位信號和自身的進位信號通過一個與非門得到一個低位信號。低位信號重置自身，并通過一個非門產(chǎn)生進位。設(shè)計的原理圖和通過QuartusⅡ功能仿真的結(jié)果如圖1所示。

圖 1 四位計數(shù)原理圖及仿真結(jié)果圖

2 四位顯示的分時復(fù)用

圖2 四位顯示的分時復(fù)用原理圖

四位計數(shù)顯示采用了分時復(fù)用技術(shù)。分時復(fù)用是用不同時段來傳輸和處理不同的信號，能達(dá)到多路傳輸和處理的目的。四位顯示的分時復(fù)用原理圖如圖2所示。通過一個4選1的選擇器來選擇顯示的位數(shù)。將一個周期劃分為4個等分的時間，每個等分的時間通過4選1的選擇器來選擇一個輸入，并通過BCD碼到7段字形的處理，最終顯示在七段數(shù)碼管上。當(dāng)人眼在觀察數(shù)碼管時，光信號傳入大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時間，光信號的作用結(jié)束后，視覺形象并不會立即消失，這種殘留的視覺稱“后像”，視覺的這一現(xiàn)象則被稱為“視覺暫留”。正是由于視覺暫留的存在，在多位計數(shù)的時候才得以采用分時復(fù)用，人眼被欺騙而認(rèn)為是四位同時在顯示。

3 熄滅多位顯示的前導(dǎo)零

在計數(shù)器中我們發(fā)現(xiàn)剛剛開始計數(shù)的時候計數(shù)器顯示為0001，千位百位十位的零沒有任何意義。這樣顯示出來不符合一般的閱讀習(xí)慣，也不利于數(shù)字的辨識。如果出現(xiàn)這樣的零就是屬于前導(dǎo)零。在四位七段數(shù)碼管中有4個控制位選的引腳，查詢開發(fā)板原理圖得知數(shù)碼管的位選引腳是低電平有效。通過控制數(shù)碼管的位選端達(dá)到熄滅前導(dǎo)零的目的。熄滅前導(dǎo)零不是當(dāng)某一位出現(xiàn)0就熄滅這一位的數(shù)碼管，而是當(dāng)某一位為0且前面沒有不為0的數(shù)，那么就熄滅這一位以及前面所有的0。如果一個數(shù)為0但是前面有一個非0的數(shù)，那么這一位0是有效的，不能熄滅。如圖3為通過位選控制前導(dǎo)零的原理圖。

（1）如果某一位數(shù)為0，同時這一位數(shù)前面沒有非0的數(shù)。它的BCD碼0000通過或非門后為高位，由于2-4譯碼器默認(rèn)輸出低位，將2-4譯碼器輸出的這一位低位與通過或非門運算得到的高位進行或運算，最終產(chǎn)生一個高位信號給位選端，位選端無效，熄滅這個為0的數(shù)碼管。

（2）如果某一位不為0，通過或非門后得到低位，這個低位通過與門后為低位。這個低位信號和2-4譯碼器的低位通過或運算得到的為低位，于是位選端有效，點亮這一位數(shù)碼管。

（3）如果某一位為0且前面有不為0數(shù)。不為0的這一位通過或非門后為低位，為0的這一位通過或非門后為高位。它們通過與運算后得到的還是低位，再與2-4譯碼器輸出的低位進行或運算得到一個低位，于是位選端有效，點亮這個為0的數(shù)碼管。

4 結(jié)果驗證

在上面進行仿真結(jié)果正確后，就可以進行引腳分配。在引腳分配之前需要選擇使用的器件型號，本設(shè)計使用了合肥零零電子科技有限公司的EPM240T100C5N開發(fā)板進行目標(biāo)芯片的在電路驗證。在進行引腳分配時需要查詢四位計數(shù)器中使用的七段數(shù)碼管、重置、時鐘脈沖在開發(fā)板中的引腳編號，然后進行分配。在進行引腳分配后需要重新編譯后才能下載運行。

將開發(fā)板的JTAG與USB下載線連好，接通電源。在QuartusⅡ中選擇“Tools-Programmer”進行下載寫入。下載完成后觀察開發(fā)板上的數(shù)碼管顯示結(jié)果。驗證結(jié)果和預(yù)期完全一樣，至此說明設(shè)計沒有問題。

5 總結(jié)

四位計數(shù)顯示采用QuartusⅡ作為開發(fā)平臺，通過原理圖來設(shè)計整個流程，并采用了層次化設(shè)計的方式使得整個設(shè)計的流程更加清晰。整個設(shè)計中使用數(shù)碼管的顯示，分時復(fù)用等技術(shù)。分時復(fù)用技術(shù)在多位計數(shù)顯示上的使用，使得系統(tǒng)中有限的I/O資源能顯示更多的位數(shù)，從而大大的降低了成本。這種設(shè)計方式將會被很多領(lǐng)域借鑒并使用。我們在設(shè)計中考慮到了人們的閱讀習(xí)慣，于是熄滅前導(dǎo)零，使設(shè)計出來的計數(shù)器更加人性化，只有這樣才能被人類所接受。

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