原创 【博客大赛】【原创】基于FPGA的频率计设计

FPGA即是Field－Programmable Gate Array（现场可编程门阵列）英文的首字母，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。目前以硬件描述语言用得比较多的是Verilog 和 VHDL。下面是我用VHDL写的一个四位频率计程序。

首先是将频率分频，产生1HZ频率，程序如下：

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-- 说明: 分频模块，将标准输入频率分频为1HZ
-- 文件: fenpin.vhd
-- 作者:
-- 日期: 2012/04/09
-- 修改:
-- 软件: Altera QuartusII 9.0 
-- 芯片: Altera Cyclone FPGA (EP1C3T144C8)
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LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;   --运算符重载的一个头文件

--实体描述部分
ENTITY fenpin IS
      PORT(                  --端口声明
               CLKIN    : IN  STD_LOGIC;
               CLK1HZ : OUT STD_LOGIC
           ); 
END fenpin;

--结构体描述部分
ARCHITECTURE bhv OF fenpin IS
 
 SIGNAL Q : STD_LOGIC;
 
BEGIN
 PROCESS(CLKIN)  --IF语句放在进程中
  CONSTANT shuru_05CLK :integer := 50000;  --shuru_05CLK是标准输入频率的一半，这里使shuru_05CLK=50000，
             --就是假设标准信号是100000HZ，要根据实际输入频率更改这个常量
        VARIABLE CNT :integer := 0 ;              
 BEGIN
  IF (CLKIN'EVENT AND CLKIN='0') THEN     --功能：当时钟下降沿到来，判断变量CNT=shuru_05CLK的值没有
   IF CNT=shuru_05CLK THEN             --      不等于就继续累加，直到CNT=shuru_05CLK，此时就将信
    CNT := 0; Q <= NOT Q;           --      号Q取反，并把CNT清零，也就是每shuru_05CLK（这里是
    ELSE CNT := CNT + 1;            --      50000）次时钟变化，才让Q变一次，达到了分频效果。
   END IF;
  END IF;  
 END PROCESS;    --进程结束
 CLK1HZ <= Q ;
END bhv;   --结束结构体

其次是测频控制模块，主要用来产生1S的闸门信号，如下：

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-- 说明: 测频控制模块
-- 文件: kongzhi.vhd
-- 作者:
-- 日期: 2012/04/09
-- 修改:
-- 软件: Altera QuartusII 9.0 
-- 芯片: Altera Cyclone FPGA (EP1C3T144C8)
-------------------------------------------------------------------

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
--USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;   --运算符重载的一个头文件

--实体描述部分
ENTITY kongzhi IS
      PORT(                  --端口声明
                              CLKK : IN  STD_LOGIC;
               RST_CNT,CNT_EN,LOAD : OUT STD_LOGIC
           ); 
END kongzhi;

--结构体描述部分
ARCHITECTURE bhv OF kongzhi IS
 
 SIGNAL Q : STD_LOGIC;
 
BEGIN
 PROCESS(CLKK)  --IF语句放在进程中
 BEGIN
  IF (CLKK'EVENT AND CLKK='1') THEN
   Q <= NOT Q;
  END IF;
  IF CLKK='0' AND Q = '0' THEN       RST_CNT <= '1' ;
   ELSE RST_CNT <= '0';
  END IF;
 END PROCESS;    --进程结束
 CNT_EN <= Q ;
 LOAD <= NOT Q ;
END bhv;            --结束结构体

第三步是计数器部分，对待测信号进行频率计数：

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-- 说明: 1位十进制计数器模块
-- 文件: CNT10.vhd
-- 作者:
-- 日期: 2012/04/09
-- 修改:
-- 软件: Altera QuartusII 9.0 
-- 芯片: Altera Cyclone FPGA (EP1C3T144C8)
-------------------------------------------------------------------

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;   --运算符重载的一个头文件

--实体描述部分
ENTITY CNT10 IS
      PORT(                   --端口声明
            CLK, CLR, EN, RESET : IN  STD_LOGIC;
         COUT : OUT STD_LOGIC;
          Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR ( 3 DOWNTO 0 )
           ); 
END CNT10;

--结构体描述部分
ARCHITECTURE bhv OF CNT10 IS
 
 SIGNAL Q1 : STD_LOGIC_VECTOR ( 3 DOWNTO 0 );--定义四位宽的矢量型信号节点
 
BEGIN
 PROCESS(CLR,CLK)  --IF语句放在进程中
 BEGIN
  IF RESET = '0' THEN Q1 <= "0000";COUT <= '0';        --复位信号，当RESET为0时复位，正常为低电平
   ELSIF CLR = '1' THEN Q1 <= "0000";COUT <= '0';   --清零信号，当CLR为1时清零，正常为低电平
    ELSIF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN
       IF EN='1' THEN
      IF Q1<9 THEN Q1 <= Q1+1;COUT <= '0';    --计数器未计满9就继续计数
       ELSE Q1 <= "0000";COUT <= '1';      --计数器计满9就清零，产生进位信号
      END IF;
     END IF;
  END IF;
 END PROCESS;    --进程结束
 Q <= Q1;        --端口赋值
END bhv;   --结束结构体

第四步，将测得的频率锁存，即设计锁存器：

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-- 说明: 锁存器模块
-- 文件: suocun.vhd
-- 作者:
-- 日期: 2012/04/09
-- 修改:
-- 软件: Altera QuartusII 9.0 
-- 芯片: Altera Cyclone FPGA (EP1C3T144C8)
-------------------------------------------------------------------

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;   --运算符重载的一个头文件

--实体描述部分
ENTITY suocun IS
      PORT(                  --端口声明
                     RESET, CLK1HZ : IN  STD_LOGIC;
     AIN0,AIN1,AIN2,AIN3 : IN  STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);
                       Q0,Q1,Q2,Q3 : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0)
           ); 
END suocun;

--结构体描述部分
ARCHITECTURE bhv OF suocun IS
BEGIN
 PROCESS(CLK1HZ)        --这里输入的1HZ是来自控制模块的LOAD，LOAD是1HZ的信号
 VARIABLE T3,T2,T1,T0 : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);--定义变量
 BEGIN
  IF RESET = '0' THEN   --复位信号为低电平有效，当RESET=0时，将所有值清零
   T3 := "0000" ;
   T2 := "0000" ;
   T1 := "0000" ;
   T0 := "0000" ;
   ELSIF (CLK1HZ'EVENT AND CLK1HZ='1') THEN  --根据题目要求，LOAD上升沿锁存数据
    T3:=AIN3;
    T2:=AIN2;
    T1:=AIN1;
    T0:=AIN0;
  END IF;
  Q3 <= T3;
  Q2 <= T2;
  Q1 <= T1;
  Q0 <= T0;
 END PROCESS;    --进程结束
 
END bhv;            --结束结构体

最后是译码输出在数码管显示：

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-- 说明: 译码器设计
-- 文件: decoder.vhd
-- 作者:
-- 日期: 2012/04/09
-- 修改:
-- 软件: Altera QuartusII 9.0 
-- 芯片: Altera Cyclone FPGA (EP1C3T144C8)
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LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY decoder IS
      PORT(
           ain  : IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);
           yout : OUT STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0)
           );
END decoder;

ARCHITECTURE yimaqi OF decoder IS
BEGIN
    PROCESS ( ain )
    BEGIN
        CASE ain IS
            WHEN "0000"  =>  yout<= "0111111";   --0
            WHEN "0001"  =>  yout<= "0000110";   --1
            WHEN "0010"  =>  yout<= "1011011";   --2
            WHEN "0011"  =>  yout<= "1001111";   --3
            WHEN "0100"  =>  yout<= "1100110";   --4
            WHEN "0101"  =>  yout<= "1101101";   --5
            WHEN "0110"  =>  yout<= "1111101";   --6
            WHEN "0111"  =>  yout<= "0000111";   --7
            WHEN "1000"  =>  yout<= "1111111";   --8
            WHEN "1001"  =>  yout<= "1101111";   --9
            WHEN "1010"  =>  yout<= "1110111";   --A
            WHEN "1011"  =>  yout<= "1111100";   --B
            WHEN "1100"  =>  yout<= "0111001";   --C
            WHEN "1101"  =>  yout<= "1011110";   --D
            WHEN "1110"  =>  yout<= "1111001";   --E
            WHEN "1111"  =>  yout<= "1110001";   --F
            WHEN OTHERS  =>  NULL;
        END CASE;
    END PROCESS;
END yimaqi;