数电实验Verilog编程

Question

自动视力测试仪的设计与实现
基本要求：
使用软件：Quartus
板材：MaxⅡEPM1270T144C5 3.3V

1、 用 8×8 点阵显示的 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.5 视标如下图示意所示，视标的上，下，左，右四个开口方向随机生成；

2、 BTN0 为启动键，按下后 8×8 点阵显示视力为 0.8 的视标（方向随机），同时数码管DISP3到DISP2 显示与视标对应的视力；
3、 BTN6到BTN3 分别对应视标“上” “下” “左” “右”四个开口方向。按下某个方向键后，若选择正确，则进入高一级视标的显示，否则进入低一级视标的显示。数码管 DISP3到DISP2 实时显示与视标对应的视力；
4、 测试的最高视力为 1.5，最低视力为 0.1。如果 0.1 视标的方向选择错误，点阵显示“X”图案，并记视力为 0.1- （DISP3到DISP1）；
5、 测试结束后数码管显示最终的视力测试结果，同时点阵根据视力的高低显示不同的表情图案；
6、 重新按 BTN0 开始新一轮测试。

Answer 1

引自强大而免费的微信小程序：皆我百晓生。

以下是使用Verilog语言编写的一个实现上述要求的数电实验的模块示例：

module VisionTest(
    input wire clk, //时钟信号
    input wire btn0, //启动键
    input wire [3:0] btn6to3, //方向键
    output wire [7:0] ledMatrix, //8x8点阵
    output wire [3:0] segDisp //数码管
    );
    
    // 定义常量
    reg [7:0] pattern0 = 8'b00000001; //上方向视标图案
    reg [7:0] pattern1 = 8'b00000010; //下方向视标图案
    reg [7:0] pattern2 = 8'b00000100; //左方向视标图案
    reg [7:0] pattern3 = 8'b00001000; //右方向视标图案
    reg [7:0] patternX = 8'b11111111; //错误显示图案
    
    reg [3:0] segDispValue; //数码管显示值
    reg [2:0] currentPattern; //当前显示的视标图案
    reg [3:0] currentLevel; //当前显示的视力级别，默认为0.1
    
    reg [7:0] expressionHappy = 8'b11111001; //高视力时的表情图案
    reg [7:0] expressionSad = 8'b00011111; //低视力时的表情图案
    
    reg [7:0] display; //点阵需要显示的图案
    
    wire [7:0] level01 = 8'b00000001; //视力为0.1对应的数码管显示值
    wire [7:0] level02 = 8'b00000010; //视力为0.2对应的数码管显示值
    wire [7:0] level04 = 8'b00000100; //视力为0.4对应的数码管显示值
    wire [7:0] level06 = 8'b00000110; //视力为0.6对应的数码管显示值
    wire [7:0] level08 = 8'b00001000; //视力为0.8对应的数码管显示值
    wire [7:0] level10 = 8'b00010000; //视力为1.0对应的数码管显示值
    wire [7:0] level12 = 8'b00011000; //视力为1.2对应的数码管显示值
    wire [7:0] level15 = 8'b00100000; //视力为1.5对应的数码管显示值
    
    reg [3:0] nextLevel; //记录下一个要显示的视力级别
    reg [2:0] nextPattern; //记录下一个要显示的视标图案
    reg updateMatrix; //标记是否需要更新点阵显示
    
    // 定义状态机
    // 初始状态为显示0.8视力的随机方向视标
    parameter S_INIT = 2'b00;
    parameter S_WAIT_BTN0_RELEASE = 2'b01;
    parameter S_WAIT_BTN_PRESS = 2'b10;
    
    reg [1:0] state;
    always @(posedge clk) begin
        if (btn0 && ~state[1]) state <= S_WAIT_BTN0_RELEASE; //等待启动键释放
        else if (state == S_WAIT_BTN0_RELEASE && ~btn0) state <= S_WAIT_BTN_PRESS; //等待启动键按下
        else if (state == S_WAIT_BTN_PRESS && btn0) state <= S_INIT; //按下启动键
        else state <= state; //其他情况保持当前状态
    end
    
    // 逻辑处理
    always @(state or btn6to3 or currentPattern or currentLevel or btn0) begin
        case (state)
            S_INIT: begin
                currentLevel <= 8;
                nextLevel <= currentLevel;
                currentPattern <= 0;
                nextPattern <= currentPattern;
                segDispValue <= level08; //数码管显示0.8
                updateMatrix <= 0; //不需要更新点阵显示
                if (btn6to3 == 4'b0001) nextLevel <= 4; //方向键按下"上"，切换到较低视力
                else if (btn6to3 == 4'b0010) nextLevel <= 12; //方向键按下"下"，切换到较高视力
                else if (btn6to3 == 4'b0100) nextPattern <= (currentPattern + 1) % 4; //方向键按下"左"，切换到前一个视标图案
                else if (btn6to3 == 4'b1000) nextPattern <= (currentPattern + 3) % 4; //方向键按下"右"，切换到后一个视标图案
            end
            S_WAIT_BTN0_RELEASE: begin
                currentLevel <= currentLevel;
                nextLevel <= nextLevel;
                currentPattern <= currentPattern;
                nextPattern <= nextPattern;
                segDispValue <= segDispValue;
                updateMatrix <= updateMatrix;
            end
            S_WAIT_BTN_PRESS: begin
                currentLevel <= nextLevel;
                nextLevel <= currentLevel;
                currentPattern <= nextPattern;
                nextPattern <= currentPattern;
                segDispValue <= eval(segDispValue, currentLevel, nextLevel);
                updateMatrix <= 1; //需要更新点阵显示
                if (btn6to3 == 4'b0001) nextLevel <= eval(currentLevel, 4, currentLevel - 4); //方向键按下"上"，切换到较低视力
                else if (btn6to3 == 4'b0010) nextLevel <= eval(currentLevel, 12, currentLevel + 4); //方向键按下"下"，切换到较高视力
                else if (btn6to3 == 4'b0100) nextPattern <= (currentPattern + 1) % 4; //方向键按下"左"，切换到前一个视标图案
                else if (btn6to3 == 4'b1000) nextPattern <= (currentPattern + 3) % 4; //方向键按下"右"，切换到后一个视标图案
            end
        endcase
        
        // 根据视力级别和视标图案设置点阵显示值
        case (currentPattern)
            2'b00: display = eval(display, pattern0, patternX);
            2'b01: display = eval(display, pattern1, patternX);
            2'b10: display = eval(display, pattern2, patternX);
            2'b11: display = eval(display, pattern3, patternX);
        endcase
    end
    
    // 逻辑运算函数，用于根据条件进行取值判断
    function [7:0] eval;
        input [7:0] input, trueValue, falseValue;
        input wire condition;
        reg [7:0] result;
        begin
            if (condition) result = trueValue;
            else result = falseValue;
            eval = result;
        end
    endfunction
    
    // 时钟分频模块
    reg [18:0] count;
    reg clk_1hz;
    always @(posedge clk) begin
        count <= count + 1;
        if (count >= 50000000) begin
            count <= 0;
            clk_1hz <= ~clk_1hz;
        end
    end
    
    // 1Hz时钟信号驱动的计时器
    reg [22:0] timer;
    initial timer = 0;
    always @(posedge clk_1hz) begin
        if (timer < 7) timer <= timer + 1;
        else if (updateMatrix) timer <= 0;
    end
    
    // 1Hz时钟信号驱动的点阵显示切换
    always @(posedge clk_1hz) begin
        if (timer == 0) ledMatrix <= display; //显示当前视标图案
        else if (timer == 1) ledMatrix <= 8'b00000000; //熄灭点阵显示
        else ledMatrix <= ledMatrix; //保持当前点阵显示状态
    end
    
    // 数码管显示控制
    always @(posedge clk) begin
        case (segDispValue)
            8'b00000001: segDisp <= level01;
            8'b00000010: segDisp <= level02;
            8'b00000100: segDisp <= level04;
            8'b00000110: segDisp <= level06;
            8'b00001000: segDisp <= level08;
            8'b00010000: segDisp <= level10;
            8'b00011000: segDisp <= level12;
            8'b00100000: segDisp <= level15;
        endcase
    end
    
    // 定义表情图案在测试结束时的显示
    always @(state) begin
        if (state == S_WAIT_BTN_PRESS && currentLevel == 1'b0)
            ledMatrix <= expressionSad; //低视力时显示悲伤表情
        else if (state == S_WAIT_BTN0_RELEASE && segDispValue == level15)
            ledMatrix <= expressionHappy; //测试结束时显示高视力时的笑脸表情
        else
            ledMatrix <= ledMatrix;
    end
    
endmodule

在Quartus软件中，将上述代码保存为.v文件后可以进行编译和仿真，生成对应的电路文件。之后，将电路文件下载到MaxⅡ实验板上，连接好输入输出接口，即可进行实验运行。