QuartusⅡ

QuartusⅡ（通用4篇）

QuartusⅡ 篇1

0 引言

随着科学技术的发展,现代社会经济水平提高、人们生活节奏加快,路上的机动车也快速增长。据新华网报道,截至2014年底,中国机动车保有量达2.64亿辆[1],其中汽车1.54亿辆,全国平均每百户家庭拥有25辆私家车,人们交通出行结构发生了根本性变化。

智能的交通控制系统,可以有效分配机动车与行人的时间,提高交叉口的通行能力,缓解城市的交通拥堵,减少交通事故的发生。但目前的交通控制系统多以机动车为设计核心,较少考虑行人需求,尤其是老弱病残孕等特殊人群,他们的步行速度约为1.0m/s[2],远低于总体行人的平均值1.35m/s[3]。我们时常在交叉口看见人行绿灯已经开始闪烁即将变红灯,却有位老人才走过人行横道的一半,结果可能造成交通安全事故、交通拥堵,甚至对机动车司机和行人造成不同程度的身心伤害或经济损失。为此,在交通控制系统中设计了车流量实时监测信号和特殊行人识别信号,利用EDA软件Quartus II进行电路设计与仿真,当车流量大于阈值时增加车的通行时间,当有特殊人群过马路时则增加行人的通行时间,实现了对特殊人群通行交叉口的交通控制。

1 特殊行人的识别

自动识别技术近年来在全球范围内得到了迅猛发展,是一个集计算机、光、磁、物理、机电、通信技术为一体的高新技术。按照应用领域和具体特征的分类标准,自动识别技术可以分为七种:条码识别技术、生物识别技术、图像识别技术、磁卡识别技术、IC卡识别技术、光学字符识别技术(OCR)、射频识别技术(RFID)[4]。

特殊行人的识别方式可采用以下两种:

生物识别技术中的指纹识别。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排列形成不同的纹型。由于指纹具有终身不变性、唯一性和方便性,可作为生物识别的有力特征。在道路交叉口设置指纹识别器,当特殊行人通过时伸出手指识别,识别器采集指纹信息与指纹库比对,得出行人的信息,并判断是否属于老、弱、病、残、孕等特殊行人,给出识别信号输入交通控制系统。指纹识别流程如图1所示。

非接触式IC卡识别,该类卡与IC卡读取设备无电路接触,通过非接触式的读写技术进行读写,识别信息,如我国的第二代身份证ID卡。在道路交叉口设置身份证识别器,当特殊行人通过时扫描身份证,识别器采集信息与身份证数据库比对,得到行人的身份信息,并判断是否属于老、弱、病、残、孕等特殊行人,给出识别信号输入交通控制系统。ID卡识别流程如图2所示。

2 对特殊行人的交通控制

结合实际情况:当交叉口监测到有大量机动车需要通行时,机动车道绿灯时间变长,特殊行人应等待直到人行道绿灯亮起,才响应特殊行人的信号,使行人通行时间变长;当交叉口的机动车辆较少时,机动车道绿灯时间不变,特殊行人等待直到人行道绿灯亮起,响应特殊行人的信号,使人行道绿灯时间变长,便于特殊行人顺利通行。而机动车道和人行道的绿灯时间,以及特殊行人的通行时间,应根据道路交叉口的位置、车均流量、人均流量、行人步行速度、忙时闲时等信息,综合考虑后进行设置。

本文利用Quartus II设计交通控制电路并仿真,设置参数如下:

人行道绿灯信号Pgreen亮起时为1,表示行人通行而机动车禁止通行,反之亦然。

机动车道绿灯通行时,一般亮灯时间为35秒,当车流量大时,增加绿灯通行时间至45秒。

车流量实时监测信号为Car,当车流量大于阈值时输出信号1,车流量小于或等于阈值时输出信号0。

人行道绿灯通行时,一般亮灯时间为15秒,当有特殊行人通过时,增加绿灯时间至20秒。

特殊行人信号为Sp,当识别到特殊行人时输出信号1,没有特殊行人时输出信号0。

本文设计机动车道和人行道交替通行,交通控制流程如图3所示。

3 基于Quartus II进行仿真

现代电子产品的设计多采用EDA(Electronic Design Automation)技术,即以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具,用软件的方式完成电子系统硬件的设计[5]。Alter公司的Quartus II是主流的EDA软件工具之一,具有可现场编程、在线升级、进行各种仿真等特点。

交通控制系统中的分时置数控制电路采用四片74465八路单向三态传输门来实现,将机动车道和人行道的绿灯通行时间输出给交通信号灯,控制交通灯的交替变换,实现交通控制。74465的功能表如表1所示。

采用Quartus II进行仿真,得到仿真结果如图4所示。从图4(a)可以看出,在机动车道绿灯通行时即Pgreen=0,若监测到车流量大即Car=1,机动车通行时间由35秒增大到45秒;若监测到车流量小即Car=0,机动车通行时间保持为35秒;此时不响应特殊行人信号Sp,直到机动车道亮红灯人行道亮绿灯即Pgreen=1。由图4(b)可看出,在人行道绿灯通行时即Pgreen=1,若识别到特殊行人信号即Sp=1,行人通行时间由15秒增大到20秒;若没有识别到特殊行人信号即Sp=0,行人通行时间保持为15秒;此时不响应车流量监测信号Car,直到人行道亮红灯机动车道绿灯即Pgreen=0。

4 结束语

当前的交通控制系统基本是以机动车流作为设计核心,极少考虑到老弱病残孕等特殊行人,他们因步行速度较慢而无法在预定的绿灯时间内顺利通行,本文在交通控制系统中创新的设计了特殊行人识别信号,当识别到特殊行人时,灵活的增大行人通行时间。本文采用Quartus II进行电路设计和仿真验证结果,从理论上实现了对特殊行人的交通控制。

既然我们的技术发展要“以人为本”,将来的城市智能交通控制系统将更加人性化,特殊行人的智能识别还将广泛应用于医疗、公园门禁、社区福利院、城市智能救援等。

摘要：现代智能交通控制系统能监控车流量,控制交通灯的变换和响应时间,但较少考虑行人的需求,尤其是老弱病残孕等特殊人群,这类人群需要比常人更多的通行时间。采用指纹识别或ID卡识别两种方法识别特殊人群,并触发交通控制信号,使行人的通行时间自动变长。利用EDA软件Quartus II进行电路设计与仿真,设计了车流量实时监测信号和特殊人群识别信号,当车流量大于阈值时自动增加车的通行时间,当有特殊人群过马路时则自动增加行人的通行时间。

关键词：特殊行人,识别,交通控制,QuartusⅡ

参考文献

[1]新华社.中国机动车保有量达2.64亿辆[EB/OL].(2015-01-28).http:∥www.tj.xinhuanet.com/tt/rdzz/2015-01/28/c_1114159084.htm.

[2]Ann Coffin,John Morrall.Walking Speeds of Elderly Pedestrians at Corsswalks[Z].Transportation Research Record 1487,Transportation Research Board,National Research Council,Washington DC,1995.

[3]彭丽英.信号控制交叉口行人交通特性的研究[D].长春:吉林大学,2006:26.

[4]刘平.自动识别技术概论[M].北京:清华大学出版社,2013:205-210.

[5]谭会生,张昌凡.EDA技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011:1-18.

QuartusⅡ 篇2

1 Quartus II软件

Quartus II是美国Altera公司提供的综合性开发集成环境, 支持原理图、Verilog HDL等多种形式的设计输入, 它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。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/Mega Function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。

2 五十进制计数器

新建一个工程文件夹取名为“project”, 打开QuartusⅡ, 点击“Createa New Project”。打开建立新工程管理窗, 指定工程目录、名称和顶层设计实体, 点击“Next”, 将设计文件加入工程中。根据实验电路板的要求, 选择EPM570T144C5的目标器件。工具设置, 点击“Next”得到下一个界面, 结束设置, 点击“Finish”完成。编辑构建电路图, 点击菜单栏的“File”-“New”, 点击“Block Diagram/Schematic File”, 点击“OK”即可得到操作界面。五十进制加法计数器涉及74160芯片、三输入与非门、输入输出端等器件, 利用鼠标右键对intput、output进行命名等操作, 得到如下输入设计图1。

为了验证设计的电路是否符合设计要求, 可以通过波形仿真进行观察。先该电路图进行编译, 待编译成功后, 建立波形文件, 将输入输出端添加到波形文件中进行仿真, “File-New”选择“Vecto Waveform File”, 在“Edit”下选择“End Time”来设置仿真时间长度。一般设为100us, 点击“OK”, 选中所有端口, 右键“Zoom”-“Fit In Window”, 将A、B、C选中图中一格, 点击菜单的“1”、“0”来确定“高电平”、“低电平”, 点击菜单中“Processing”下的“是Start Simulation”得到仿真波形图2。

从仿真结果图2中可以知道, 我们设计的五十进制计数器仿真结果图与逻辑功能相符合, 达到了使用Quartus II软件在数字电路实验中进行电路设计与开发的目的[2]。

数字逻辑电路实验课程主要针对大二学生进行开设, 根据“实用数字电子技术基础”课程教学的基本要求, 传统的实验课程为32个学时、10个独立的课内实验:TTL参数测试、编码译码器、数据选择器、全加器、中小规模组合逻辑电路设计、触发计数器、移位寄存器、交通灯等实验。传统的实验课程设置内容较陈旧, 不利于激发学生创新意识和创新能力。在数字电路实验课程中应用Quartus II软件进行电路设计与开发, 将基于74系列器件的全加器、计数器和交通灯等实验项目进行了精简, 将组合电路的自动化设计和时序电路的自动化设计引入到数字电路实验中, 设置自主选题环节, 为学生的创新能力培养打下了良好的基础。实验教学考核是判断学生掌握和运用知识解决实际问题能力的重要环节, 针对自主选题环节, 相应的制定了一套多样化的考核体系。由指导老师和学生代表组成评分小组, 根据学生选题的难易程度、知识面的涉及宽度、工作量、实验报告规范情况等综合判定。Quartus II的仿真教学使学生在课堂中起到了主角作用, 指导教师给予适当的引导, 这种模式深受学生的好评, 大大的提高了学生的学习主动性。

3 结语

数字逻辑电路实验课程是培养和提高大学生动手能力的一门重要课程。针对现代高等教育事业的发展需求, 虚拟仿真教学实验在数字逻辑电路课程中将充当理论教学和实践教学的桥梁角色。使用Quartus II软件实现软硬件相结合的教学方式, 通过学生自主选题的模式, 实现实验课程的教学创新[3]。

摘要：介绍了使用QuartusⅡ软件进行电路设计与开发的主要流程;通过使用两片74LS160芯片构成一个五十进制计数器, 对QuartusⅡ在数字电路实验中的应用进行了详细的阐述。

关键词：QuartusⅡ,计数器,数字电路实验

参考文献

[1]潘松.黄继业EDA技术实用教程[M].科学出版社, 2002.

[2]谭会生.张昌凡.EDA技术及应用[M].西安电子科技大学出版社, 2001.

QuartusⅡ 篇3

关键词：数字逻辑电路,计算机仿真,QuartusⅡ

0 引言

Quartus II开发平台是ALTERA公司推出的FPGA、CPLD和ASIC的综合性开发软件。它不但支持电路原理图输入和硬件描述语言输入, 而且具有完善的仿真功能。本文将Quartus II软件引入数字逻辑电路课程的作业教学环节和课程设计教学环节, 目的在于提高学生对数字逻辑电路的分析能力和设计能力。

1 将Quartus II软件引入作业环节

由于数字逻辑电路课程的教学是围绕原理图设计展开的, 因此, 要求学生掌握Quartus II软件的以下基本功能:

(1) 原理图输入法。包括创建原理图文件的方法及调用器件的方法。

(2) 编译工程。

(3) 仿真。包括建立波形文件、设置仿真时间、分析仿真结果。

为了使学生掌握上述基本功能, 将学习环节分为两步进行:首先, 安排1个学时讲解软件的使用方法;其次, 安排2个学时的上机训练。由于计数器的原理比较容易理解, 所以给学生布置计数器设计方面的上机实验内容———用4位同步二进制计数器74LS161接成十二进制计数器。用Quartus II软件建立电路后对其进行仿真, 得到的时序波形图如图1所示, 可见仿真结果可以形象的说明设计结果正确。

在学生掌握了QuartusⅡ软件基本使用技能之后, 就可将其用于完成教师布置的作业, 对自己设计的电路自查, 看到直观的设计结果, 还可进行相似题目的自我训练, 大大提高学生学习的主动性和积极性。

2 将Quartus II引入课程设计环节

数字逻辑电路课程是一门实践性非常强的课程, 课程设计环节不但考察学生对所学知识的运用能力, 而且起到融会贯通课程重点内容的作用。虽然, 借助实物设计的电路非常直观, 但实验设备的维护情况、实验经费的投入量会对实践效果和实验内容会产生直接的影响。尤其是若实验前学生的预习比较盲目, 无法验证预习思路是否正确, 就会使实验效果大打折扣, 因此本文建议将仿真软件引入课程设计环节。

在课程设计环节, 教师可给学生布置一个小系统设计题目, 从系统设计到系统实现要求学生独立完成。同时为了保证工作的进度, 减少后期的调试难度, 要求前期设计在计算机上进行, 具体安排如下:

(1) 学生针对设计要求, 自选芯片, 借助Quartus II软件完成前期设计仿真。若仿真结果正确, 可以向教师申请所需芯片。此环节的时间安排为8学时, 主要训练学生分析问题的能力。例如, 要求学生设计一个数字钟电路, 能用7段数码管显示时间。教师应当引导学生从总体功能入手, 对系统功能进行逐渐细化。首先, 使学生认识到需要将数字钟分解为显示部分、控制部分以及显示与控制的接口部分;其次, 根据显示要求, 确定所需显示数码管的数量;第三, 根据控制要求, 确定需要的计数器型号;第四, 为了将计数结果转换为数码显示, 需要设计计数结果至显示输出的译码电路。

(2) 教师根据学生提出的要求和实验室的实际情况为学生提供芯片。此时学生应根据实际情况修改设计并重新仿真, 若仿真通过便可得到实验室提供的芯片。此环节的时间安排为4学时, 主要训练学生根据现有资源设计电路的能力。有了第一环节的基础, 这一环节应该要求学生完全独立完成。

(3) 根据设计得到的电路原理图搭接电路, 观察设计结果。此环节的时间安排为4学时, 可使学生认识到仿真的优点, 以及仿真和物理实现的差距。例如:软件的原理图输入法中, 忽略了个芯片的电源管脚;软件仿真中, 外部输入信号 (如时钟、复位信号等) 是通过编辑波形文件得到的。而在实际电路设计中, 必须考虑电路输入信号的产生方法以及器件的供电等。

(4) 书写设计报告 (课后完成) 。在上述方案的实施过程中, 指导教师采用了启发的方式指导学生设计, 不但可充分调动学生的积极性, 同时又可避免学生盲目地进行设计, 培养学生具有良好的思维习惯。由于在课程设计环节引入了软件仿真, 与传统的教学模式比较, 学生在预习环节不但可以主动地从事设计工作, 而且可以验证设计结果是否正确, 从而调动了学生的预习积极性;另一方面, 由于学生在搭接电路之前, 通过仿真的方法已经将实验进行了一遍, 排除了电路设计中的逻辑错误, 从而大大缩短了搭接电路和调试电路的时间。另外, 对于功能相对简单的小系统, 一般若仿真结果正确, 实物设计结果也会完成相应功能, 因此在课程设计的前期引入Quartus II软件可收到良好的实践训练效果。

3 结束语

将Quartus II工具用于数字逻辑电路设计部分的教学, 对提高教学的趣味性, 帮助学生理解课本知识, 丰富实验内容, 充实课程设计环节是十分有益的, 同时对其后续课程的开设 (如:VHDL语言的学习) 将起到抛砖引玉的作用。随着电子技术的发展, 借助仿真软件进行电路的前期设计, 已成为电子工程师必备的知识之一。因此, 将工具软件应用于教学, 对提高学生的就业竞争能力也是十分有益的。

参考文献

[1]Altera Corporation.Quartus II design flow for MAX+PLUS II us-ers[EB/OL].http://www.altera.com.cn/literature/hb/qts/qts_qii51002.pdf, 2009.

QuartusⅡ 篇4

在现代数字系统中,FPGA(现场可编程门阵列)以计算机为开发平台,经过设计输入、仿真、测试和校验,直至达到预期结果。本文使用MathWorks公司的MATLAB软件和Altera公司的FPGA开发软件QuartusⅡ进行FIR滤波器的设计仿真,并给出了设计的一般步骤。该方法能够直观地检验滤波器的设计效果,提高设计效率,缩短设计周期。

1 FIR滤波器原理

1.1 FIR滤波器基本结构

FIR滤波器的数学表达式为[1]:

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式中:N为FIR滤波器的抽头数;x(n)为第n时刻的输入样本;h(i)为FIR滤波器第i级抽头系数。

普通的直接型FIR滤波器结构如图1所示。

在自适应处理、数据通信等领域中往往要求信号在传输过程中不能有明显的相位失真,FIR滤波器可以做到线性相位满足此要求。FIR滤波器实质上是一个分节的延迟线,把每一节的输出加权累加,得到滤波器的输出。对于FIR滤波器的单位脉冲响应h(i)只要满足以下2个条件之一,则为线性相位滤波器[1]。

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线性相位的FIR滤波器具有中心对称的特性,其对称中心在N/2处。

1.2 窗函数设计方法

FIR滤波器的设计方法有窗函数法、频率取样法和最优化设计法。其中窗函数法是设计FIR滤波器最简单有效的方法,也是最常用的方法。在本设计中,所用到的滤波器的系数都是借助于窗函数法完成的。窗函数设计法是一种通过截短和计权的方法使无限长非因果序列成为有限长脉冲响应序列的设计方法。利用加窗函数进行截断和平滑,以实现一个物理可实现且具有线性相位的FIR滤波器的设计目的[2]。

FIR滤波器的窗函数法设计过程为:

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式中:Hd(ejΩ)为逼近的理想滤波器频率响应;hd(k)为理想滤波器的单位脉冲响应,是无限长序列。

为获取实际应用的FIR滤波,需将hd(k)截断,用有限长的h(k)近似表示,用窗函数可以避免吉布斯现象h(k)=hd(k)ω(k),最后得到实际FIR滤波的频率响应H(ejΩ)。

设计常用的窗函数有矩形窗、汉宁窗、海明窗、凯撒窗等。凯撒窗是一种适应性较强的窗,可同时调整主瓣宽度和旁瓣电平,所以本设计选择凯撒窗实现。

1.3 FPGA设计中的流水线原则

在FPGA设计中,为提高系统的运行速度,而将指令分为几个子操作,每个子操作由不同的单元完成,这样,每一级的电路结构得到简化,从而减少输入到输出间的电路延时,在较小的时钟周期内就能够完成这一级的电路功能[3]。在下一个时钟周期到来时,将前一

级的结果锁存为该级电路的输入,这样逐级锁存,由最后一级完成最终结果的输出。也就是说,流水线技术是将待处理的任务分解为相互有关而又相互独立、可以顺序执行的子任务来逐步实现。本设计在处理加法器时,利用对称和流水线技术来提高滤波器的性能。

2 基于计算机辅助的FIR滤波器设计流程

随着DSP技术在FPGA上的应用越来越广泛, FPGA制造商相继推出了一些可以快速简单进行DSP设计的辅助性软件,利用这些软件的结合可以简化FIR滤波器设计。本设计将常用的MATLAB软件和FPGA的设计软件QuartusⅡ结合起来仿真。其设计流程的步骤如下。

1)在MATLAB中进行仿真设计和修改

设计指标为:采样频率1 000 Hz,f1=314 Hz,f2=417 Hz,阻带衰减40 dB。通过参数指标确定所需的阶数和参数值,部分程序如下:

wp=0.2*pi; //通带截止频率

ws=0.3*pi; //阻带截止频率

As=40; //最小阻带衰减

tr_width=ws-wp; //带宽

M=ceil((As-7.95)/(14.36*tr_width); //按凯撒窗计算滤波器长度

disp([’order’,num2str(M)]);

n=[0:1:M-1];

%beta=0.1102*(As-8.7); //计算beta值(As>50)

beta=0.5842*(As-21)^0.4+0.07886*(As-21); //(21

求出窗函数:

w_kai=(kaiser(M,beta))’;//求凯撒窗函数

求理想和实际脉冲响应:

hd=ideal_lp(wc,M); //理想脉冲

h=hd.*w_kai; //凯撒窗下实际脉冲

由图2、图3验证技术指标。

如果不满足,则要改变带宽,或改变窗形状重新计算。现在由图可见,满足设计要求。

2)利用Simulink检验滤波效果

Simulink 是MATLAB 中一个专门用于对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。通过调用模块,可以构成仿真数字滤波器特性的结构框图。

输入低频10 Hz和高频600 Hz的两个信号,利用所设计的滤波器进行滤波。建立仿真电路结构,导入前面所设计的FIR滤波器,如图4所示。

通过输入(图5(a))、输出波形(图5(b))的比较可看出,该FIR滤波器可以将高频部分有效的滤除。

3)QuartusⅡ设计及仿真

对MATLAB信号处理工具箱产生的滤波器模型及系数,用QuartusⅡ进行设计仿真。QuartusⅡ软件是Altera公司主推的FPGA设计软件,是集设计输入、编译、综合、仿真、布线、下载于一体的设计软件。由于MATLAB产生的滤波器系数是小数,将其转换为12位二进制系数使用。限于篇幅,采用采样频率fs=5 MHz,截止频率fc=1.5 MHz,阶数15,凯撒窗的设计指标。首先建一个block diagram文件通过功能模块的搭建进行滤波器的设计,通过编译综合功能对生成的文件进行编译和综合,然后生成的顶层模块,见图6。

由MATLAB产生的FIR数字滤波器的系数如下:

在设计中采用流水线来提高有效的乘法器速度,该部分的VHDL代码如下:

通过QuartusⅡ的波形仿真功能,对输入输出进行波形仿真,对其结果进行定量分析。通过时序分析和功能分析结果,对设计进行进一步的完善,在仿真中,x为输入信号,依次为1,2,4,10,12,得到的输出结果如图7所示。经验证,仿真结果与实际运算结果一致。

3 结束语

本文综合介绍了基于FPGA软件QuartusⅡ和MATLAB的FIR滤波器的设计仿真,将两大软件综合运用后大大缩减了设计研发的时间,在算法结构上利用了流水线等优化方式。在实际应用中,可以通过对滤波器参数的修改,很容易地实现其他各种滤波器的设计,具有一定的工程设计参考价值。

参考文献

[1]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2]飞思科技产品研发中心.MATLAB 7辅助信号处理技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.