1、數字鐘的設計Hefei University項目設計報告數字鐘的設計1、 項目要求1、數字鐘顯示秒、分、時。2、數字鐘可清零、可進行校時，校分。3、數字鐘能進行整點報時及鬧鈴。2、 設計方案模塊介紹：本數字鐘的設計是由計數模塊、調鍵模塊、分頻模塊、整點報時及音樂模塊MISIC組成。其中計數模塊分別是由miao60、fen60、shi24模塊組成,構成一個計數顯示電路。調鍵模塊是由計數模塊和二選一模塊組成，分別控制shi24、fen60模塊。分頻模塊將10MHz的脈沖產生1Hz、4Hz和1MHz的脈沖，1Hz用于計數模塊，為計數時鐘的脈沖。4Hz和1MHz用音樂模塊，為數控分頻器的時鐘輸入和4H

2、z音樂節拍。整點報時模塊是當時鐘計數到整點時，蜂鳴器發出聲響。音樂模塊對預置的時間可播放長達一分鐘梁祝音樂。設計思路：(1)自頂向下設計分割圖2.1所示：圖2.1 數字鐘自頂向下設計分割圖(2)數字鐘頂層模塊圖如圖2.2所示：圖2.2 數字鐘頂層圖3、 項目內容3.1時鐘計數與校時校分模塊本項目所設計的數字鐘能進行正常的時、分、秒計時功能和校時校分功能。計時標準為 23:59:59，即一分鐘60秒，一小時60分鐘，一天24小時。當秒位達到59，由進位端向分位發出一個脈沖；當分位達到59，由進位端向時位發出一個脈沖。 rst 為清零開關，當其為“1”，時鐘清零為 12:00:00。本項目將時鐘計

3、數與校時校分這兩個功能集成在一個模塊中，并通過兩個2選1數據選擇器實現此功能。當選擇開關s為高電平時，將選中4Hz輸入信號作為分計數器的計數脈沖或時計數器的脈沖，使它們頻率加快，從而實現校時校分的功能；當選擇開關s為低電平時，則數據選擇器將秒計數的進位脈沖送到分計數器，也能將分計數器的進位脈沖送到時計數器，使數字鐘正常工作。3.1.1時鐘秒計數子模塊給秒計數器一個1Hz的時鐘脈沖，正常計數時，當秒計數器（60進制)計數到59時，再來一個脈沖，則秒計數器清零，重新開始新一輪的計數,而進位則作為分計數器的計數脈沖，使分計數器計數加1。秒進位子模塊封裝圖如下所示：具體程序如下圖所示：仿真圖如下:：當

4、rst信號為高電平時，秒計數器被清零；：當秒計數到59時，產生一個進位，即carry=1，之后重新開始計數。3.1.2時鐘分計數子模塊正常計數時，當分計數器計數到59時，再來一個時鐘脈沖，則分計數器清零，而進位則作為時計數器的計數脈沖，使時計數器加一。現在把秒計數器的進位脈沖和一個頻率為4Hz的脈沖信號同時接到一個2選1數據選擇器的兩個數據輸入端，而位選信號則接一個脈沖按鍵開關，當按鍵開關不按下去時（即為0），則數據選擇器將秒計數器的進位脈沖送到分計數器，此時，數字鐘正常工作；當按鍵開關按下去時（即為1），則數據選擇器將另外一個4Hz的信號作為分計數器的計數脈沖，使其計數頻率加快，當達到正確的

5、時間，按動按鍵開關，從而達到校分的目的。 2選1數據選擇器其封裝圖如下所示：具體程序如下所示：仿真圖如下:當s=1時，y輸出為b，即給分計數器的脈沖頻率為4Hz，此時可對分進行校時功能；當s=0時，y輸出為a，即給分計數器的脈沖為秒計數器的進位脈沖，此時實現的功能是讓數字鐘正常工作。分計數器其封裝圖如下圖所示:具體程序如下所示：仿真圖如下所示:：當rst信號為高電平時，分計數器被清零；：當分計數器計數到59時，產生一個進位，即carry=1，之后重新開始計數。3.1.3時鐘時計數子模塊時計數子模塊是由一個24進制計數器組成，正常計數時，當時計數器計數到23時，再來一個脈沖，則時計數器清零，重新

6、開始新一輪的計數。現在把分計數器的進位脈沖和一個頻率為4Hz的脈沖信號同時接到一個2選1數據選擇器的兩個數據輸入端，而位選信號則接一個脈沖按鍵開關，當按鍵開關為低電平時，則數據選擇器將分計數器的進位脈沖送到時計數器，此時，數字鐘正常工作；當按鍵開關為高電平時，則數據選擇器將另外一個4Hz的信號作為時計數器的計數脈沖，使其計數頻率加快，當達到正確的時間，按動按鍵開關，從而達到校時的目的。時計數器的封裝圖如下圖所示：具體程序如下所示： 仿真圖如下所示：當rst信號為高電平時，時計數器被清零，回到初始狀態12；：當時計數器計數到23時，時清零，重新開始新一輪的計數。3.2定時及整點報時模塊功能描述該

7、模塊分為兩個功能，即定時和整點報時定時：代碼中設計06:30:00時，發光二極管會亮起，同時蜂鳴器也會發出聲音，提醒所定的時間到了，即音樂模塊里設計的“梁祝”，維持時間一分鐘整點報時：代碼中設計每到一個整點的時候，發光二極管會亮起，且蜂鳴器會發出聲音，提醒整點到了實驗代碼封裝圖仿真波形波形分析：如上圖所示1)定時:當時間從06:30:00變到06:30:59，在這一分鐘的時間內，發光二極管一直在處于高電平狀態(lamp=“1111”),即燈亮起，且隨著音樂的節拍有規律有節奏的閃爍；而此時的蜂鳴器會發出設計好的“梁祝”(speak1=“1111”)，維持一分鐘的時間，到06:31:00時，發光二

8、極管處于低電平狀態(lamp=“0000”),即燈不亮2)整點報時:當時間處于整點時，例上圖處于07:00:00時刻，此時，發光二極管會亮起（lamp=“1111”),且此時的蜂鳴器會發出聲音(speak2=“1111”)3.3分頻器模塊功能描述把10MHz分為1Hz，4Hz，1MHz三個頻率，1Hz的作為秒計數的時鐘信號頻率4Hz的作為音樂模塊中的138計數器的時鐘信號頻率，1MHz作為音樂模塊中的數控分頻器的SPK。實驗代碼(1)10MHz分為1Hz時，即10,000,000分頻(2)10MHz分為4Hz時，即2,500,000分頻將上述代碼中的counter_len設置為整數型，并賦值為

9、2499999。其余與上述代碼相同，即可實現4Hz。(3)10MHz分為1MHz時，即10分頻將上述代碼中的counter_len設置為整數型，并賦值為9。其余與上述代碼相同，即可實現1MHz。封裝圖 分為1Hz 分為4Hz 分為1MHz仿真波形在此只列出將10MHz分為1MHz的仿真波形，余下兩個類似，不再贅余波形分析：當第一個clk信號到第五個clk信號期間，qout一直輸出低電平，當第六個clk信號來到時，qout開始輸出高電平，明顯可以看出這是一個10分頻。則可以類推，10MHz分為1Hz為10,000,000分頻，10MHz分為4Hz為2,500,000分頻3.5音樂模塊MISIC3

10、.5.1音樂模塊原理：硬件樂曲演奏電路頂層模塊圖如圖3.5.1所示，電路由5個子模塊構成。本模塊為“梁祝”樂曲演奏電路的實現。組成樂曲的每個音符的發音頻率值及其持續的時間是樂曲能連續演奏所需的兩個基本要素。圖3.5.1 樂曲演奏電路頂層設計3.5.2 SPK模塊SPK模塊原理：音符的頻率可以由圖3.5.2中的SPK獲得。這是一個數控分頻器。由其CLK端輸入一具有較高頻率（1MHz）的時鐘，通過SPK分頻后，由boom口輸出。由于直接從分頻器中出來的輸出信號是脈寬極窄的信號，為了有利于驅動揚聲器，需另加一個D觸發器分頻以均衡其占空比，但這時的頻率將是原來的1/2。SPK對CLK輸入信號的分頻比由

11、輸入的11位預置數TN10.0決定。SPK的輸出頻率將決定每一音符的音調；這樣，分頻計數器的預置值TN10.0 與輸出頻率就有了對應關系，而輸出的頻率又與音樂音符的發聲有對應關系，例如在TT模塊中若取TN10.0=11'H40C，將由boom發出音符為“3”音的信號頻率。詳細的對應關系可以參考圖3.5.3的電子琴音階基頻對照圖。圖3.5.2 TT模塊圖圖3.5.3 電子琴音階基頻對照圖（單位Hz）VHDL代碼3.TT模塊TT模塊原理：音符的持續時間需根據樂曲的速度及每個音符的節拍數來確定，圖3.3中模塊TT的功能首先是為模塊SPK（11位分頻器）提供決定所發音符的分頻預置數，而此數在S

12、PK輸入口停留的時間即為此音符的節拍周期。模塊TT是樂曲簡譜碼對應的分頻預置數查表電路，程序數據是根據圖3.2得到的，程序中設置了“梁祝”樂曲全部音符所對應的分頻預置數，共14個，每一音符的停留時間則由音樂節拍和音調發生查表模塊ROM中簡譜碼和工作時鐘clock的頻率決定，在此為4Hz。這4Hz頻率來自分頻模塊fenpin4hz.而模塊TT的14個值的輸出由對應于rom模塊輸出的q3.0及4位輸入值index3.0確定，而index3.0最多有16種可選值。輸向模塊TT中index3.0的值在SPK中對應的輸出頻率值與持續的時間由模塊rom決定。模塊圖如圖3.5.4所示：圖3.5.4 TT模塊

13、圖VHDL代碼4.CNT138模塊CNT138模塊原理：模塊CNT138是一個8位二進制計數器，內部設置計數最大值為139，作為音符數據ROM的地址發生器。這個計數器的計數頻率即為4Hz。即每一計數值的停留時間為0.25秒，恰為當全音符設為1秒時，四四拍的4分音符持續時間。例如，“梁祝”樂曲的第一個音符為“3”，此音在邏輯中停留了4個時鐘節拍，即1秒時間，相應地，所對應的“3”音符分頻預置值為11'H40C，在SPK的輸入端停留了1秒。隨著計數器CNT138按4Hz的時鐘速率作加法計數時，即隨地址值遞增時，音符數據ROM模塊中的音符數據將從 ROM中通過q3.0端口輸向TT模塊，“梁祝

14、”樂曲就開始連續自然地演奏起來了。CNT138的節拍是139，正好等于ROM中的簡譜碼數，所以可以確保循環演奏。對于其他樂曲，此計數最大值要根據情況更改。模塊圖如圖3.5.5所示：圖3.5.5 CNT138模塊圖VHDL代碼5.音符ROM模塊此模塊是用來存放梁祝的音符數據，數據如下所示，模塊圖見圖3.5.6。圖3.5.6 音符ROM圖音符數據：WIDTH = 4 ; /“梁祝”樂曲演奏數據DEPTH = 256 ; /實際深度139ADDRESS_RADIX = DEC ; /地址數據類是十進制DATA_RADIX = DEC ; /輸出數據的類型也是十進制CONTENT BEGIN /注意實

15、用文件中要展開以下數據，每一組占一行00: 3 ; 01: 3 ; 02: 3 ; 03: 3; 04: 5; 05: 5; 06: 5; 07: 6; 08: 8; 09: 8;10: 8 ; 11: 9 ; 12: 6 ; 13: 8; 14: 5; 15: 5; 16:12; 17: 12;18: 12;19:15;20:13 ; 21:12 ; 22:10 ; 23:12; 24: 9; 25: 9; 26: 9; 27: 9; 28: 9; 29: 9;30: 9 ; 31: 0 ; 32: 9 ; 33: 9; 34: 9; 35:10; 36: 7; 37: 7; 38: 6;

16、39: 6;40: 5 ; 41: 5 ; 42: 5 ; 43: 6; 44: 8; 45: 8; 46: 9; 47: 9; 48: 3; 49: 3;50: 8 ; 51: 8 ; 52: 6 ; 53: 5; 54: 6; 55: 8; 56: 5; 57: 5; 58: 5; 59: 5;60: 5 ; 61: 5 ; 62: 5 ; 63: 5; 64:10; 65:10; 66:10; 67:12; 68: 7; 69: 7;70: 9 ; 71: 9 ; 72: 6 ; 73: 8; 74: 5; 75: 5; 76: 5; 77: 5; 78: 5; 79: 5;80: 3

17、; 81: 5 ; 82: 3 ; 83: 3; 84: 5; 85: 6; 86: 7; 87: 9; 88: 6; 89: 6;90: 6 ; 91: 6 ; 92: 6 ; 93: 6; 94: 5; 95: 6; 96: 8; 97: 8; 98: 8; 99: 9;100:12;101:12 ;102:12 ;103:10;104: 9; 105: 9;106:10;107: 9;108: 8;109: 8;110: 6;111: 5 ;112: 3 ;113: 3;114: 3; 115: 3;116: 8;117: 8;118: 8;119: 8;120: 6;121: 8 ;1

18、22: 6 ;123: 5;124: 3; 125: 5;126: 6;127: 8;128: 5;129: 5;130: 5;131: 5 ;132: 5 ;133: 5;134: 5; 135: 5;136: 0;137: 0;138: 0;END ;四、硬件實現本次實驗電路選擇模式7，電路圖如下所示：4.1引腳鎖定將設計編程下載進選定的目標器件中，作進一步的硬件測試，操作如下：實驗系統對應信號與芯片引腳對照表端口信號名結構圖上信號名實驗箱顯示clk2CLOCK24Hzclk3CLOCK0256HzclkCLOCK910MHzrstPIO3鍵4jian5PIO4鍵5jian8PIO7鍵8q

19、1PIO19-PIO16譯碼器1q2PIO23-PIO20譯碼器2q3PIO27-PIO24譯碼器4 q4PIO31-PIO28譯碼器5q5PIO35-PIO32譯碼器7q6PIO39-PIO36譯碼器8speakSPEAKER揚聲器led1PIO43-PIO40D4、D3、D2、D1led2PIO47和PIO44D8和D5：引腳鎖定圖如下所示4.2硬件測試硬件實現圖片情況結果分析初始狀態：設為12:00:00無論是按系統復位鍵還是按鍵4鍵，都可以將數字鐘回歸初始狀態，即為12：00：00，同時蜂鳴一下，表示整點報時校分若想改變分的顯示，按動鍵5，使分以4Hz為計數脈沖，使其計數頻率加快，當達到正確時間時，松動按鍵開關校時若想改變時的顯示，按動鍵8，使時以4Hz為計數脈沖，使其計數頻率加快，當達到正確時間時，松動按鍵開關秒進位秒進位前：此時時間為05:04:59，當下一個時鐘脈沖來的時候會產生一個進位信號給分秒進位后：當分獲得進位信號后，分在原有的基礎上加1，而此時，秒會清零，此時時間顯示為05:05:00分進位分進位前:此時時間為05:59:59，又一個時鐘上升沿過來時，秒會產生一個進位信號給分，分會產生一個進位信號給時分進位后：時在原有的基礎上