1、評閱老師分 數數字電路課程設計班 級 06級 一班 專 業 信息工程 姓 名 苗捷 序 號 17 1 題目要求多功能秒表設計設計一個可以順計時和倒計時的秒表。要求計時的范圍為00.0S99.9S，用三位數碼管顯示。基本要求：（80分）（1） 倒計時：通過小鍵盤可以實現設定計時時間（以秒為單位，最大計時時間為99.9秒）。通過鍵盤實現計時開始、計時結束。當所設定的倒計時間到達0.00S后，自動停止倒計時，同時響鈴。（2） 順計時：初始值為0.00S，通過鍵盤實現開始計時和結束計時功能。計時結束后，顯示記錄的時間。（3） 用三個發光二極管正確顯示以下狀態：倒計時狀態、順計時狀態、待機狀態。（4）

2、每當接收到有效按鍵時，蜂鳴器發出提示聲。擴展功能：（20分）順計時在一次計時中可以記錄三個不同的結束時間，并能通過按鍵顯示三次所記錄的時間。說明：以上各項功能的功能鍵設置自定，不作統一規定，以簡單且使用靈活方便操作為原則。2 設計方案（或設計分析）經過對題目的分析和思考，我所確立的初步方案如下：控制器鍵盤輸入計數器數碼管LED蜂鳴器圖（1）初步邏輯功能分析框圖如上圖可見，需要一個核心控制器來對系統進行整體控制，按鍵輸入部分收到按鍵信號后傳遞給控制器，控制器根據當前狀態進行相應的動作，包括：控制計數器的運行和數碼管的顯示，控制蜂鳴器指示操作有效，控制LED顯示當前狀態。題目要求設計一個可以順計時

3、和倒計時的秒表，計時的范圍為00.0S99.9S，三位數碼管顯示。所以計數器部分是一個可以雙向選擇記時的3位10進制計數器，數碼管掃描顯示當前計數值，同時還要考慮在一定狀態時要讓數碼管閃爍。鍵盤部分可以使用通常使用的掃描法來實現。初步確定按鍵有五個，但是在實際編寫過程中為了節省系統資源，對案件功能進行了一定得復用，一共用了四個按鍵，所以就用不著對鍵盤進行掃描了，這樣節省了系統的資源，同時也減少了復雜性。考慮到要進行模塊化劃分，所以以上的邏輯功能劃分不能直接使用，所以再次進行了如下的模塊劃分。控制器鍵盤輸入計數器數碼管LED蜂鳴器圖（2）初步模塊劃分框圖3 模塊實現在實際編寫過程中，最終確定系統

4、分為三個模塊，分別如下：模塊1：keyboard圖（3）模塊1：keyboard鍵盤模塊，把鍵盤信號發送給控制器。具體源代碼如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity keyboard isport(clk : in std_logic; key_out : out std_logic_vector(3 downto 0); key_in : in std_logic_vector(3 downto 0); key : out std_logic_vector(2 down

5、to 0);end entity;architecture behav of keyboard istype type_state is (s0,s1);beginkey_out <= "0111" proc1:process(clk) begin if rising_edge(clk) thencase key_in iswhen "1110"=> key<="000"when "1101"=> key<="001"when "1011"=&g

6、t; key<="010"when "0111"=> key<="011"when others=> key<="111"end case; end if; end process;end behav;模塊2：counter圖（4）模塊2：counter最主要的部分，采用單進程法實現，主要部分是一個三位十進制計數器，接收keyboard的鍵盤信號后進行相應的響應，控制LED和蜂鳴器并輸出顯示信號。具體源代碼如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.

7、all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity counter isport(clk : in std_logic; key : in std_logic_vector(2 downto 0); bcd1 : out std_logic_vector(3 downto 0); bcd2 : out std_logic_vector(3 downto 0); bcd3 : out std_logic_vector(3 downto 0); flash_mask : out std_logic_vector(2 downto 0); bell : out st

8、d_logic; led_up : out std_logic; led_down : out std_logic; led_pause : out std_logic; key_beep : out std_logic);end entity;architecture behav of counter issignal cnt1 : std_logic_vector(3 downto 0);-10signal cnt2 : std_logic_vector(3 downto 0);-1signal cnt3 : std_logic_vector(3 downto 0);-0.1type ty

9、pe_mode is (reset,pause,up,down,ov_down,buf,set1,set2,set3);signal mode : type_mode;constant key_sp : std_logic_vector := "000"-start pause incconstant key_set : std_logic_vector := "001"-setconstant key_dir : std_logic_vector := "010"constant key_reset : std_logic_vect

10、or := "011"constant key_null : std_logic_vector := "111"begin proc1:process(clk) variable key_tri : std_logic := '0' variable dir : std_logic := '0'-0=up, 1=down variable tick : integer range 0 to 50; variable buf1,buf2,buf3 : std_logic_vector(11 downto 0); variab

11、le buf_cnt1,buf_cnt2 : integer range 0 to 2; begin if (rising_edge(clk) then if key=key_null then key_tri := '0' end if; case mode is when reset =>- tick := 0; key_tri := '1' cnt1 <= (others => '0'); cnt2 <= (others => '0'); cnt3 <= (others => 

12、9;0'); dir := '0' bell <= '0' mode <= pause; when pause =>- led_pause <= '0' flash_mask <= "111" if dir='0' then-up led_up <= '0' led_down <= '1' else-down led_up <= '1' led_down <= '0' end if; i

13、f key_tri='0' thenkey_tri := '1' case key is when key_sp => led_pause <= '1' flash_mask <= "000" if dir='0' then mode <= up; else mode <= down; end if; when key_set => mode <= buf; when key_dir => tick := 0; if dir='0' then di

14、r :='1'-down led_up <= '1' led_down <= '0' else dir :='0'-up led_up <= '0' led_down <= '1' end if; when key_reset => mode <= reset; when others => key_tri := '0' end case; end if; when up =>- if key_tri='0' then

15、key_tri := '1' case key is when key_sp => mode <= pause; when key_set =>case buf_cnt1 iswhen 0 =>buf1:=cnt3&cnt2&cnt1;when 1 =>buf2:=cnt3&cnt2&cnt1;when 2 =>buf3:=cnt3&cnt2&cnt1;mode <= pause;end case;buf_cnt1:=buf_cnt1+1; when key_dir => null;

16、 when key_reset => null; when others => key_tri := '0' end case; end if; tick := tick + 1; if tick=49 then tick := 0; cnt3 <= cnt3 + 1; if cnt3="1001" then cnt3 <= "0000" cnt2 <= cnt2 + 1; if cnt2="1001" then cnt2 <= "0000" if cnt1=&q

17、uot;1001" then- cnt3 <= "1001"- cnt2 <= "1001" mode <=reset; elsecnt1 <= cnt1 + 1; end if; end if; end if; end if; when down =>- if key_tri='0' then key_tri := '1' case key is when key_sp => mode <= pause; when key_set =>null; when key

18、_dir => null; when key_reset => null; when others => key_tri := '0' end case; end if; tick := tick + 1; if tick=49 then tick := 0; cnt3 <= cnt3 - 1; if cnt3="0000" then cnt3 <= "1001" cnt2 <= cnt2 - 1; if cnt2="0000" then cnt2 <= "1001&

19、quot; if cnt1="0000" then cnt3 <= "0000" cnt2 <= "0000" mode <= ov_down; elsecnt1 <= cnt1 - 1; end if; end if; end if; end if; when ov_down =>- bell <= '1' if (key/=key_null) then mode <= reset; end if; when buf =>- flash_mask <= "

20、;000" case buf_cnt2 iswhen 0 =>cnt3 <= buf1(11 downto 8);cnt2 <= buf1(7 downto 4);cnt1 <= buf1(3 downto 0);when 1 =>cnt3 <= buf2(11 downto 8);cnt2 <= buf2(7 downto 4);cnt1 <= buf2(3 downto 0);when 2 =>cnt3 <= buf3(11 downto 8);cnt2 <= buf3(7 downto 4);cnt1 <=

21、 buf3(3 downto 0);end case; if key_tri='0' then key_tri := '1' case key is when key_sp => buf_cnt2 := buf_cnt2 + 1; when key_set => mode <= set1; when others =>key_tri := '0' end case; end if; when set1 =>- flash_mask <= "001" if key_tri='0'

22、; then key_tri := '1' case key is when key_sp => cnt1 <= cnt1 + 1; if cnt1="1001" then cnt1 <= "0000" end if; when key_set => mode <= set2; when key_dir => null; when key_reset => null; when others =>null; key_tri := '0' end case; end if; w

23、hen set2 =>- flash_mask <= "010" if key_tri='0' then key_tri := '1' case key is when key_sp => cnt2 <= cnt2 + 1; if cnt2="1001" then cnt2 <= "0000" end if; when key_set => mode <= set3; when key_dir => null; when key_reset => n

24、ull; when others => key_tri := '0' end case; end if; when set3 =>- flash_mask <= "100" if key_tri='0' then key_tri := '1' case key is when key_sp => cnt3 <= cnt3 + 1; if cnt3="1001" then cnt3 <= "0000" end if; when key_set =>

25、 mode <= pause; when key_dir => null; when key_reset => null; when others => key_tri := '0' end case; end if; end case; key_beep <= key_tri; end if; end process;bcd1 <= cnt1;bcd2 <= cnt2;bcd3 <= cnt3; end architecture;模塊3：display圖（5）模塊3：display顯示模塊，接收counter模塊的顯示信號，并在

26、數碼管上進行掃描輸出，同時還具有控制顯示閃爍的功能。具體源代碼如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity display is port(clk:in std_logic; flash_mask : in std_logic_vector(2 downto 0); bcd1 : in std_logic_vector(3 downto 0); bcd2 : in std_logic_vector(3 downto 0); bcd3 : in std_logic_vector

27、(3 downto 0); bcd : out std_logic_vector(3 downto 0); lsd : out std_logic_vector(2 downto 0); point : out std_logic);end display;architecture behav of display isbegin pro_lsd:process(clk) variable cnt : integer range 1 to 3; variable tick : integer range 0 to 127; begin if rising_edge(clk) then tick

28、 := tick + 1; lsd<="000" case cnt is when 1 => bcd <= bcd1; cnt := 2; point <= '0' if flash_mask(0)='1' and tick>63 then lsd(0) <= '0' else lsd(0) <= '1' end if; when 2 => bcd <= bcd2; cnt := 3; point <= '1' if flash_mas

29、k(1)='1' and tick>63 then lsd(1) <= '0' else lsd(1) <= '1' end if; when 3 => bcd <= bcd3; cnt := 1; point <= '0' if flash_mask(2)='1' and tick>63 then lsd(2) <= '0' else lsd(2) <= '1' end if; end case; end if; end pro

30、cess;end architecture;總連接圖：程序最終使用了125個宏單元和25個管腳。4 仿真分析首先進行每個模塊的獨立仿真。模塊一：keyboard顯然，模塊的輸出信號key隨著鍵盤信號key_in而變化，模塊功能正常。這一部分主要是防止多個按鍵被按下。同時，單獨劃分一個模塊也可以使以后的擴展變得更加容易。模塊二：counter輸入1KHz的clk信號，再輸入開始記時的信號，計數器開始記時，記時正常。模塊三：display掃描顯示正常，同時可以進行正常的閃爍顯示功能。系統整體：整體仿真結果基本正確。5 設計中遇到的問題整個設計過程一共用了半個多月的時間，其中有一大半的時間都是用來完

31、成擴展功能的，而基本功能比較順利的就完成了。最開始的時候進行了邏輯上的模塊劃分，按照功能仔細的劃分了模塊，但是發現這樣對設計造成很大的麻煩，在程序編寫到一半的時候整個推翻重寫。第二次寫這個程序較為順利，但是由于前期規劃沒有做好，在操作和程序邏輯上有一些混亂，雖然勉強能夠運作但是效果不能讓人滿意。于是就有了第三次編寫。這一次進行了比較詳細的規劃，對程序也有了比較準確的把握，寫起來較為順利。尤其是對操作方法進行了重新調整，還詳細的畫出了程序的流程圖。按照流程圖和一定的程序結構，順利的完成了程序基本功能的編寫，這一次只用了幾個小時就完全完成了程序的編寫和調試，整個過程非常順利。在編寫基本功能的過程中

32、由于整體較為順利，兩次推翻重新進行所有工作，到了第三次全部完成，一共花了大概一周的時間。開始的時候不熟悉VHDL設計的設計思想，走了不少彎路。而且在開始的時候抱著寫寫看的想法，對程序的功能沒有進行仔細的分析，所以寫程序的時候思路不是非常清晰，而且經常出現混亂。后來，經過探索，我總結出了“操作狀態”的模式，細致的劃定了各個狀態和操作，每個狀態該進行什么樣的寄存器操作，什么樣的按鍵響應，按鍵或是寄存器變化之后會有什么樣的狀態變化。在畫出了相應的狀態流程圖之后發現編寫程序基本上就是照著圖“抄”程序，整個過程非常簡單。雖然在按鍵方面出了一些問題，但是很快經過改進之后就好了。之后就是對基本功能的擴展，擴展功能花了很大的力氣才完成，經過不斷次對程序的修