矩阵键盘控制接口电路设计

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计

2011年 07月 10 日 课 程 硬件课程设计 题 目 矩阵键盘控制接口电路设计 院 系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 东北石油大学课程设计任务书 课程 硬件课程设计 题目 矩阵键盘控制接口设计 专业 姓名 学号 主要内容、基本要求、主要参考资料等 一、主要内容： 利用EL教学实验箱、微机和QuartusⅡ软件系统，设计并实现一个4×8键盘接口控制器。设计过程中使用层次设计方法和VHDL语言，完成硬件设计和功能仿真。最后下载到EL教学实验箱中予以实现。 二、基本要求： 1.按照层次设计方法实现键盘接口控制器中的时序产生电路、键盘扫描电路、弹跳消除 电路、键盘译码电路、按键码存储电路和显示八段数码管电路。 2. 按下某一键时，在数码管上显示该键对应的键值。 三、参考文献： [1] 李国洪，胡辉.可编程器件与EDA技术与实践[M].北京：机械工业出版社，2004. [2] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2002. [3] 王行，李衍.EDA技术入门与提高[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005. [4] 徐惠民，安德宁.数字逻辑设计与VHDL描述[M].北京：机械工业出版社，2008.

完成期限： 18-19周 指导教师： 专业负责人： 2011年 06 月28 日 目 录 第1章 EDA的概述 .................................................................................................................... 1 第2章 QUARTUS II系统 .......................................................................................................... 3 第3章 矩阵键盘控制接口电路 ................................................................................................. 4 3.1 概述................................................................................................................................. 4 3.2 底层实体电路................................................................................................................. 6 3.3 顶层实体电路................................................................................................................. 9 3.4 仿真结果....................................................................................................................... 16 3.5 硬件验证结果............................................................................................................... 17 结 论..................................................................................................................................... 20 参考文献..................................................................................................................................... 21 东北石油大学本科生硬件课程设计

1 第1章 EDA的概述 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。电子设计自动化（EDA）技术是电子设计技术和先进的电子制造技术的核心[1]。 20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展[2]。 EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度[3]。 利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。 随着计算技术和数字技术的发展，在现代电子设备中，单纯用模拟电路实现的已经很少见，通常只在微弱信号放大、高频数据采集和大功率输出等局部电路采用模拟电路，其余部分广泛采用数字电路。因此，对大多数电子设备而言，其整体部分是数字系统[4]。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。 1.几个有关EDA的专题网站 (1) EDA中心 www.eda.ac.cn (2) EDA中国门户网站 www.edacn.net 东北石油大学本科生硬件课程设计 2 (3) 中国EDA工程网 www.edagc.com (4) EDA爱好者 www.edafans.com (5) EDA教学与研究 www.edateach.com 2.设计方法 (1) 前端设计(系统建模RTL 级描述)后端设计(FPGAASIC)系统建模 (2) IP 复用 (3) 前端设计 (4) 系统描述：建立系统的数学模型。 (5) 功能描述：描述系统的行为或各子模块之间的数据流图。 (6) 逻辑设计：将系统功能结构化，通常以文本、原理图、逻辑图、布尔表达式来表示设计结果。 (7) 仿真：包括功能仿真和时序仿真，主要验证系统功能的正确性及时序特性。 3.EDA工具软件 EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。 目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、PSPICE、multiSIM7(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、、LSIIogic、MicroSim，ISE，modelsim等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。 EDA工具软件厂商三巨头：Synopsys、Mentor Graphics、Cadence。 东北石油大学本科生硬件课程设计

3 第2章 QUARTUS II系统 Quartus II 是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程[5]。 Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。 Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。 此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。 Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持，Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了SOPC和HardCopy设计流程，并且继承了Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法[6]。 Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。 Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添 了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。