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基于VHDL的多功能可变模计数器设计

时间：2009-09-18 09:29:24

关键字：计数器 VHDL BSP FPGA

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[导读]可变模计数器作为一种基本数字电路模块，在各种数字系统中应用广泛。在对现有的可变模计数器的研究基础上，在QuartusⅡ开发环境中，用VHDL语言设计一种功能更加强大的可变模计数器，它具有清零、置数、使能控制、可逆计数和可变模等功能，并且对传统的可变模计数器的计数失控问题进行研究，最终设计出一种没有计数失控缺陷的可变模计数器，并以ACEX1K系列EP1K30QC208芯片为硬件环境．验证了其各项设计功能。结果表明该设计正确，功能完整，运行稳定。

0 引言
    随着电子技术、计算机技术和EDA技术的不断发展，利用FPGA／CPLD进行数字系统的开发已被广泛应用于通信、航天、医疗电子、工业控制等领域。与传统电路设计方法相比，FPGA／CPLD具有功能强大，开发周期短，投资少，便于追踪市场变化及时修改产品设计，以及开发工具智能化等特点。近年来，FPGA／CPLD发展迅速，随着集成电路制造工艺的不断进步，高性价比的FPGA／CPLD器件推陈出新，使FPGA／CPLD成为当今硬件设计的重要途径。在FPGA／CPLD的应用设计开发中，VHDL语言作为一种主流的硬件描述语言，具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面。表现出了强大的生命力和应用潜力。
    QuartusⅡ是Altera公司在21世纪初推出的FPGA／CPLD集成开发环境，是Altera公司前一代FPGA／CPLD集成开发环境Max+PlusⅡ的更新换代产品，其界面友好，使用便捷，功能强大，为设计者提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。
    计数器是数字系统中使用最多的时序电路之一，不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。可变模计数器由于计数容量可以根据需要进行变化，为其广泛使用创造了便利。这里在QuartusⅡ开发环境下，用VHDL语言设计了一种具有清零、置数、使能控制、可逆计数和可变模功能的计数器。

1 基本可变模计数器设计
可变模计数器是指计数／模值可根据需要进行变化的计数器。电路符号图1所示，clk为时钟脉冲输入端，clr为清零端，m为模值输入端，q为计数输出端。
基本可变模计数器的VHDL代码如下所示：

说明：上述代码设计采用了常用的if语句结构，即“if条件句then顺序语句elsif条件句then顺序语句else顺序语句end if”结构，实现模值小于99的可变模计数。

从上述的代码可以看出，基本的可变模计数器的功能单一。仿真验证则表明在进行模值变换时，基本的可变模计数器存在一些功能上的缺陷：计数器若是由较小的模值变化为较大的模值时，能正常的进行变模计数；但当其由较大的模值变化为较小的模值，则可能出现计数失控，如图2所示，图中显示了当模值由12变换为7时，即发生了计数失控。失控的原因是大于当模值由12变换为7时，计数输出为q为11，大于当前模值7的计数最大值6，由此产生了计数失控。

2 改进的多功能可变模计数器
为了克服上述基本可变模计数器的缺陷，并增加更多的控制功能，在此设计了一种改进的多功能可变模计数器，具有清零、置数、使能控制、可逆计数和可变模功能。其电路符号如图3所示，clk为时钟脉冲输入端，m为模值输入端，clr为清零控制端，s为置数控制端，d为置数输入端，en为使能控制端，updn为计数方向控制端，q为计数输出端，co为进位输出端。

这里所设计的多功能可变模计数器的VHDL代码如下所示：

    LIBRARY IEEE；
    值得注意的是，这里所设计的多功能可变模计数器具有如下特点：
    (1)该设计的多功能可变模计数器具有多个功能控制端。因此各个控制端的优先权顺序就成为设计的关键，经过理论分析和仿真调试，最终确认的优先权顺序为：clr(清零)→clk(时钟触发)→s(置数)→en(使能)→updn(计数方向)。这个优先权顺序可以有效地保证各个功能的完整实现，以及技术器的稳定运行。
    (2)为了防止出现计数失控，大多数计数器采用给计数器增加一个复位控制端的办法，当发现计数输出q发生了计数失控时，通过复位控制端将计数器复位来排除计数失控。这种方法虽然有效，但是每次出现计数失控都要手动控制复位，给实际使用带来了不便。该设计的多功能可变模计数器中，将当前的计数输出q与当前的计数最大值m_temp进行比较，如果q比m_temp大，则强制将m＿temp赋给q，这样就可以自动避免计数失控，不必再增加手动的复位控制端。

3 仿真结果分析
该多功能可变模计数器在QuartusⅡ开发环境下进行了仿真验证，功能仿真波形如图4所示，时序仿真波形如图5所示。

    仿真结果分析如下：
    (1)clk为时钟信号，由时钟信号的上升沿触发计数；
    (2)m为模值输入端，当其变化时，计数容量相应发生变化；
    (3)clr为清零控制端，当其为高电平时清零；
    (4)s为置数控制端，当其为高电平时将置数输入端d的数据加载到输出端q；
    (5)en为使能控制端，当其为高电平时正常计数，当其为低电平时暂停计数；
    (6)updn为计数方向控制端，当其为高电平时计数器加法计数，当其为低电平时计数器减法计数。

4 结语
这里所设计的多功能可变模计数器在QuartusⅡ开发环境下进行了仿真验证后，下载到湖北众友科技实业股份有限公司的ZY11EDA13BE实验箱中进行了硬件验证。该实验箱使用ACEX1K系列EP1K30QC208芯片作为核心芯片．实验证明设计正确，功能完整，运行稳定。另外，该设计的多功能可变模计数器可根据需要将模值的最大值由99进一步扩展，获得更高的计数模值。