基于FPGA技術(shù)的工程應(yīng)用與實踐
本書是作者結(jié)合多年來的教學(xué)經(jīng)驗編寫的專業(yè)技術(shù)類教材，編寫上盡力避免傳統(tǒng)理論化的教學(xué)思路，注重于FPGA技術(shù)的實踐性和應(yīng)用性。在內(nèi)容的編排上，為初學(xué)者提供了基礎(chǔ)知識部分，包括Quartus軟件的使用、硬件描述語言語句及語法、FPGA技術(shù)常用設(shè)計方法等；基本電路及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計實例，包括DDS電路、存儲器電路、顯示接口電路、溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計等；*后是工程應(yīng)用實例部分，在工程實例方面，選擇了目前應(yīng)用較為廣泛的圖像處理、觸摸屏、調(diào)頻調(diào)幅電源等。本書力求通過大量實例，為讀者提供一個較為開闊的設(shè)計應(yīng)用視野，從而能盡快提升FPGA開發(fā)及應(yīng)用能力。
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目錄
前言
第1章 可編程邏輯器件及開發(fā)概述 1
1.1 可編程邏輯器件簡介 1
1.1.1 可編程邏輯器件發(fā)展歷程 1
1.1.2 可編程邏輯器件特點 2
1.2 可編程邏輯器件設(shè)計應(yīng)用基礎(chǔ) 3
1.2.1 硬件描述語言 3
1.2.2 可編程邏輯器件 3
1.2.3 設(shè)計軟件 4
1.3 可編程邏輯器件開發(fā)流程 4
1.4 可編程邏輯器件應(yīng)用領(lǐng)域 5
第2章 Quartus 軟件的使用 7
2.1 原理圖輸入設(shè)計流程 7
2.1.1 半加器的設(shè)計原理 7
2.1.2 創(chuàng)建工程 8
2.1.3 建立圖形設(shè)計文件 11
2.1.4 工程的編譯 13
2.1.5 引腳分配 13
2.1.6 工程的下載驗證 13
2.2 硬件描述語言輸入設(shè)計流程 14
2.2.1 全加器的設(shè)計原理 15
2.2.2 半加器的硬件描述語言程序 15
2.2.3 創(chuàng)建工程 16
2.2.4 輸入半加器程序設(shè)計文件 16
2.2.5 生成元件符號 16
2.2.6 利用生成元件符號設(shè)計全加器電路 16
2.3 宏功能模塊 (LPM) 的調(diào)用 18
2.3.1 存儲器的初始化 18
2.3.2 宏功能模塊 LPM ROM 的創(chuàng)建 19
2.3.3 查看宏功能模塊 ROM 的設(shè)計文件 22
2.4 SignalTap Ⅱ嵌入式邏輯分析儀使用 23
2.4.1 SignalTap Ⅱ嵌入式邏輯分析儀的設(shè)置 23
2.4.2 編譯下載 25
2.4.3 信號波形的捕捉 26
第3章 Verilog HDL 簡介 28
3.1 Verilog HDL 硬件描述語言概述 28
3.2 Verilog HDL 程序的構(gòu)成 28
3.2.1 二-十進制編碼器及 Verilog HDL 描述 28
3.2.2 Verilog HDL 程序的基本構(gòu)成 30
3.3 Verilog HDL 語法規(guī)則 32
3.3.1 Verilog HDL 文字規(guī)則 32
3.3.2 數(shù)據(jù)對象 34
3.3.3 運算符 36
3.4 Verilog HDL 中的語句 36
3.4.1 并行語句 36
3.4.2 順序語句 43
3.5 Modelsim 仿真工具的使用 48
3.5.1 程序中無宏功能模塊的 Modelsim 使用流程 49
3.5.2 宏功能模塊的 Modelsim 使用流程 53
3.5.3 Testbench 文件的編寫 57
第4章 有限狀態(tài)機設(shè)計 61
4.1 有限狀態(tài)機設(shè)計簡介 61
4.1.1 有限狀態(tài)機的特點及分類 61
4.1.2 基于有限狀態(tài)機的電路設(shè)計步驟 61
4.2 Moore 型有限狀態(tài)機的設(shè)計 62
4.3 Mealy 型有限狀態(tài)機的設(shè)計 65
4.4 有限狀態(tài)機設(shè)計舉例：十字路口交通燈控制電路 67
4.4.1 設(shè)計要求 67
4.4.2 設(shè)計分析 67
4.4.3 設(shè)計實現(xiàn) 69
第5章 常用功能電路設(shè)計 72
5.1 DDS 電路 72
5.1.1 DDS 原理 72
5.1.2 基于 FPGA 的 DDS 電路實現(xiàn) 73
5.1.3 仿真與分析 75
5.2 m 序列信號產(chǎn)生電路 76
5.2.1 m 序列信號產(chǎn)生原理 76
5.2.2 設(shè)計舉例 76
5.2.3 仿真與分析 77
5.3 SPI 接口電路 78
5.3.1 SPI 通信協(xié)議 78
5.3.2 基于 FPGA 的 SPI 通信協(xié)議實現(xiàn) 79
5.3.3 應(yīng)用舉例 81
5.4 RAM 存儲器接口電路 85
5.4.1 SRAM 存儲器 85
5.4.2 基于雙 RAM 乒乓操作的數(shù)據(jù)存儲電路 86
5.5 CRC 校驗電路 94
5.5.1 CRC 校驗原理 94
5.5.2 CRC 校驗碼的編碼原理 95
5.5.3 基于 FPGA 的逐比特比較法求解 CRC 校驗碼設(shè)計實現(xiàn) 96
5.5.4 仿真與分析 97
5.6 LCD 控制電路 99
5.6.1 LCD 簡介 99
5.6.2 基于 FPGA 的 LCD 控制電路設(shè)計 103
5.7 VGA 控制電路 107
5.7.1 VGA 簡介 107
5.7.2 掃描原理 108
5.7.3 VGA 控制時序 108
5.7.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 DAC ADV7123 109
5.7.5 基于 FPGA 的 VGA 彩條控制電路設(shè)計 109
第6章 應(yīng)用設(shè)計實例 115
6.1 溫濕度采集及顯示 115
6.1.1 設(shè)計要求 115
6.1.2 設(shè)計方案 115
6.1.3 相關(guān)原理簡介 116
6.1.4 溫濕度模塊設(shè)計 118
6.1.5 串口通信模塊設(shè)計 124
6.1.6 JAVA GUI 設(shè)計 127
6.1.7 系統(tǒng)測試 130
6.2 頻率計 132
6.2.1 設(shè)計要求 132
6.2.2 設(shè)計方案 132
6.2.3 測頻原理簡介 132
6.2.4 設(shè)計實現(xiàn) 134
6.3 基于 VGA 顯示的接球游戲 140
6.3.1 設(shè)計要求 140
6.3.2 設(shè)計分析 140
6.3.3 VGA 時序控制模塊設(shè)計 141
6.3.4 游戲邏輯產(chǎn)生模塊設(shè)計 144
6.3.5 游戲測試 149
第7章 基于 FPGA 的圖像采集處理系統(tǒng) 151
7.1 設(shè)計內(nèi)容 151
7.2 圖像采集模塊 152
7.2.1 圖像捕捉模塊 153
7.2.2 I2C 總線配置模塊 156
7.2.3 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊 165
7.3 SDRAM 控制模塊 170
7.4 VGA 顯示控制模塊 172
7.4.1 VGA 顯示原理 172
7.4.2 VGA 控制模塊 172
7.5 圖像處理算法及實現(xiàn) 175
7.5.1 圖像的透明算法及實現(xiàn) 176
7.5.2 圖像灰度處理算法及實現(xiàn) 181
7.5.3 圖像降噪算法及實現(xiàn) 183
7.5.4 邊緣檢測算法及實現(xiàn) 189
第8章 基于觸摸屏的電子相冊設(shè)計 193
8.1 設(shè)計要求 193
8.2 相關(guān)內(nèi)容簡介 193
8.2.1 LCD 顯示驅(qū)動芯片 TPG110 193
8.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換器 (AD7843) 194
8.3 方案設(shè)計 195
8.4 基于 FPGA 的各模塊實現(xiàn) 196
8.4.1 LCD 串行控制模塊 196
8.4.2 ADC 串行控制模塊 196
8.4.3 觸摸檢測模塊 204
8.4.4 FLASH 到 SDRAM 控制模塊 206
8.4.5 4 端口 SDRAM 控制模塊 212
8.4.6 LCD 時序控制模塊 214
8.5 系統(tǒng)的測試 219
8.5.1 LCD 觸摸屏與 FPGA 的連接 219
8.5.2 FLASH 中圖片下載 220
8.5.3 設(shè)計驗證 221
第9章 基于 FPGA 的調(diào)頻調(diào)幅電源設(shè)計 222
9.1 變頻電源的技術(shù)分析 222
9.1.1 SPWM 調(diào)制技術(shù) 222
9.1.2 SPWM 控制方式 222
9.2 變頻電源硬件的總體設(shè)計 223
9.3 基于 FPGA 的變頻電源控制電路的設(shè)計 224
9.3.1 變頻電源數(shù)字控制電路 224
9.3.2 SPWM 波形的實現(xiàn) 224
9.3.3 三路相位差 120±的SPWM波形的生成 231
9.3.4 DCPWM 模塊 233
9.4 變頻電源的性能測試及分析 236
9.4.1 變頻電源的性能 236
9.4.2 變頻電源測試結(jié)果及分析 237
第10章 電子設(shè)計競賽綜合實例 238
10.1 第十屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 F 題 238
10.1.1 任務(wù) 238
10.1.2 要求 238
10.1.3 說明 239
10.2 參考設(shè)計 240
10.2.1 頻率可調(diào)時鐘產(chǎn)生電路 240
10.2.2 m 序列產(chǎn)生電路 242
10.2.3 曼徹斯特碼產(chǎn)生電路 242
10.2.4 從曼徹斯特碼提取已知頻率的同步時鐘的電路 243
10.2.5 從曼徹斯特碼中恢復(fù)數(shù)據(jù)的電路 246
10.2.6 從曼徹斯特碼提取未知頻率的同步時鐘的電路 247
10.3 有源低通模擬濾波器的設(shè)計 252
附錄A DE2開發(fā)平臺 256
A.1 DE2板上資源及硬件布局 256
A.2 DE2電路組成 258
A.3 DE2平臺的開發(fā)環(huán)境 260
A.4 DE2平臺的擴展接口 261
A.5 DE2平臺上 EP2C35F672 的引腳分配表 261
附錄B DE2-115開發(fā)平臺 273
B.1 DE2-115板上資源及硬件布局 273
B.2 DE2-115平臺上提供的資源 273
B.3 DE2-115平臺的擴展接口 274
B.4 DE2-115平臺的開發(fā)環(huán)境 275
B.5 DE2-115平臺上 EP4CE115F29C7的引腳分配表 275
參考文獻 282
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