1、4蘇換捻粵？1基于FPGA的數(shù)字時鐘的設(shè)計課題：基于FPGA的數(shù)字時鐘的設(shè)計學院：電氣信息工程學院專業(yè):測量控制與儀器班級:08測控班學號：合作者姓名:顏志林2010年12月12日綜述近年來隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展,各種中、大規(guī)模集成電路在數(shù)字系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號處理等方面都得到了廣泛的應用。這就迫切要求理工科大學生熟悉與掌握常用中、大規(guī)模集成電路功能及其在實際中的應用方法,除通過實驗教學培養(yǎng)數(shù)字電路的基本實驗方法、分析問題與故障檢查方法以及雙蹤示波器等常用儀器使用方法等基本電路的基本實驗技能外,還必須培養(yǎng)大學生工程設(shè)計與組織實驗能力。本次課程設(shè)計的目的在于培養(yǎng)學生對基本電路的應用與掌握,使學生

2、在實驗原理的指導下,初步具備基本電路的分析與設(shè)計能力,并掌握其應用方法;自行擬定實驗步驟,檢查與排除故障、分析與處理實驗結(jié)果及撰寫實驗報告的能力。綜合實驗的設(shè)計目的就是培養(yǎng)學生初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計能力,包括選擇設(shè)計方案,進行電路設(shè)計、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié),運用所學知識進行工程設(shè)計、提高實驗技能的實踐。數(shù)字電子鐘就是一種計時裝置,它具有時、分、秒計時功能與顯示時間功能;具有整點報時功能。本次設(shè)計我查閱了大量的文獻資料,學到了很多關(guān)于數(shù)字電路方面的知識,并且更加鞏固與掌握了課堂上所學的課本知識,使自己對數(shù)字電子技術(shù)有了更進一步的認識與了解。1、課題要求1、1課程設(shè)計的性質(zhì)與任務本課程就是電子與信

3、息類專業(yè)的專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課“數(shù)字電路”的配套實驗課程。目的在于培養(yǎng)學生的理論聯(lián)系實際,分析與解決問題的能力。通過本課程設(shè)計,使學生在理論設(shè)計、計算機仿真、指標調(diào)測、故障排除等方面得到進一步的訓練,加強學生的實踐能力。學生通過設(shè)計、仿真、調(diào)試、撰寫設(shè)計報告等過程,培養(yǎng)學生的動手能力與嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L。1、2課程設(shè)計的基本技術(shù)要求1）根據(jù)課題要求,復習鞏固數(shù)字電路有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識;2）掌握數(shù)字電路的設(shè)計方法,特別就是熟悉模塊化的設(shè)計思想;3）掌握QUARTUS-2軟件的使用方法；4）熟練掌握EDA工具的使用,特別就是原理圖輸入，波形仿真，能對仿真波形進行分析;5）具備EDA技術(shù)基礎(chǔ),能夠熟練使用

4、VHDL語言進行編程，掌握層次化設(shè)計方法;6）掌握多功能數(shù)字鐘的工作原理,學會不同進制計數(shù)器及時鐘控制電路的設(shè)計方法;7）能根據(jù)設(shè)計要求對設(shè)計電路進行仿真與測試;8）掌握將所設(shè)計軟件下載到FPGA芯片的下載步驟等等。9）將硬件與軟件連接起來,調(diào)試電路的功能。1、3課程設(shè)計的功能要求基本功能:能進行正常的時、分、秒計時功能,分別由6個數(shù)碼管顯示24小時,60分鐘,60秒鐘的計數(shù)器顯示。附加功能:1）能利用硬件部分按鍵實現(xiàn)“校時”“校分”“清零”功能;2）能利用蜂鳴器做整點報時:當計時到達5959時開始報時,鳴叫時間1秒鐘;3）定時鬧鈴:本設(shè)計中設(shè)置的就是在七點時進行鬧鐘功能,鳴叫過程中,能夠進行

5、中斷鬧鈴工作。本人工作:負責軟件的編程與波形的仿真分析。2、方案設(shè)計與分析1、1設(shè)計方案1、時鐘功能,具有顯示時、分、秒的功能;2、具有整點報時功能,在整點時使用蜂鳴器進行報時,具有鬧鐘功能,鳴叫過程中,具有中斷鬧鈴功能。1、2設(shè)計要點數(shù)字鐘一般就是由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。這些都就是數(shù)字電路中應用最廣泛的基本電路,本設(shè)計分模塊設(shè)計實現(xiàn)各部分功能,采用軟件編程控制FPGA芯片內(nèi)部產(chǎn)生振動周期為1s的脈沖。并將信號送入計數(shù)器進行計算,并把累加的結(jié)果以“時”、“分”、“秒”的數(shù)字顯示出來。“秒”的顯示由兩級計數(shù)器與譯碼器組成的六十進制計數(shù)電路實現(xiàn)“;分”的顯示電路“秒”

6、相同,“時”的顯示由兩級計數(shù)器與譯碼器組成的二十四進制電路來實現(xiàn)。所有計時結(jié)果由六位數(shù)碼管顯示。1、3工作原理數(shù)字電子鐘由振蕩器、分頻器計數(shù)器、譯碼顯示、報時等電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號,作為數(shù)字鐘的時間基準,然后經(jīng)過分頻器輸出標準秒脈沖。秒計數(shù)器滿60后向分計數(shù)器進位,分計數(shù)器滿60后向小時計數(shù)器進位,小時計數(shù)器按照“24翻1”規(guī)律計數(shù)。計滿后各計數(shù)器清零,重新計數(shù)。計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送數(shù)碼管顯示,計時出現(xiàn)誤差時,可以用校時電路“校時”“校分”“清零”。秒脈沖可以通過分頻電路得到。通過報時設(shè)計模塊可以實現(xiàn)整點報時及定時鬧鈴,譯碼顯示由七段譯碼器完成,顯示由數(shù)碼管構(gòu)成,采用的

7、就是動態(tài)顯示方式。數(shù)碼管動態(tài)顯示:動態(tài)掃描電路將計數(shù)器輸出的8421BGD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài),并且輸出數(shù)碼管的片選信號與為選信號。所謂動態(tài)掃描顯示方式就是在顯示某一位LED顯示塊的數(shù)據(jù)的時候,讓其它位不顯示,然后再顯示下一位的數(shù)據(jù)。只要保證每一位顯示的時間間隔不要太大,利用人眼的視覺暫留的現(xiàn)象,就可以造成各位數(shù)據(jù)同時顯示的假象。一般每一位的顯示時間為110ms。3、單元電路的設(shè)計,仿真與分析分頻模塊(fenpin)程序:libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;entityfenpinisport(clk6:instd_logic;q1000,q5

8、,q1:outstd_logic);endfenpin;architectureccc_arcoffenpinissignalx:std_logic;beginprocess(clk6)variablecnt:integerrange0to24999;beginifclk6eventandclk6=1thenifcnt24999thencnt:=cnt+1;elsecnt:=0;x=notx;endif;endif;endprocess;q1000=x;process(x)variablecnt2:integerrange0to999;variabley:std_logic;beginifxe

9、ventandx=1thenifent2999thenent2:=ent2+l;q1=0;elseent2:=0;q1=1；endif;endif;ifxeventandx=1theny：=noty;endif;q5=y;endprocess;endeee_are;仿真波形：3）仿真結(jié)果分析:產(chǎn)生用于計時，掃描輸入，掃描顯示，以及蜂鳴器所需的各個頻率的信號。秒模塊(second)程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;useieee、std_logic_unsigned、all;entitysecondisport(clk1,en1:instd_lo

10、gie;qa:outstd_logic_vector(3downto0);co1:outstd_logic;qb:outstd_logic_vector(3downto0);endsecond;architectureccofsecondissignalcout2,cout1:std_logic_vector(3downto0);signalmm:std_logic;beginprocess(clk1,en1)beginifen1=1thencout2=0000;cout1=0000;elsif(clk1eventandclk1=1)thenif(cout2=1andcout1=8)thenc

11、out2=cout2;cout1=cout1+1;mm=1;elsif(cout2=1andcout1=9)thencout2=0000;cout1=0000;mm=0;elseif(cout1=9)thencout2=cout2+1;cout1=0000;mm=0;elsecout2=cout2;cout1=cout1+1;mm=0;endif;endif;endif;endprocess;co1=mm;qa=cout2;qb=cout1;endcc;仿真波形:分模塊(minute)程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;useieee、std_l

12、ogic_unsigned、all;entityminuteisport(clk2,en2:instd_logic;qc:outstd_logic_vector(3downto0);co2:outstd_logic;qd:outstd_logic_vector(3downto0);endminute;architecturebbofminuteissignalcout2,cout1:std_logic_vector(3downto0);signalcc:std_logic;beginprocess(clk2,en2)beginifen2=1thenif(clk2eventandclk2=1)t

13、henif(cout2=1andcout1=8)thencout2=cout2;cout1=cout1+1;cc=1;elsif(cout2=1andcout1=9)thencout2=0000;cout1=0000;cc=0;elseif(cout1=9)thencout2=cout2+1;cout1=0000;cc=0;elsecout2=cout2;cout1=cout1+1;cc=0;endif;endif;endif;endif;endprocess;co2=cc;qc=cout2;qd=cout1;endbb仿真波形:I!I!ig!*111!*!111111I11111111111

14、11111111111I11111111111111111iiiiiiiiiiiiiiiiii111111111111111111iiiiiiiiiiiiiii恵！iiuiiiy*iii11&!】！Jf!:!：Iit-1|/_IVIII!九！ii-JIII1111111111111IiiiIiiiiiiiaiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii仿真結(jié)果分析:此模塊實際也就是一個六十進制的計數(shù)器模塊，六十分鐘即為一個小時，用此模塊就成功解決了分設(shè)計模塊這個難題。從仿真波形可知,該設(shè)計時正確的。時模塊(ho

15、ur)程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;useieee、std_logic_unsigned、all;entityhourisiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii111111111111111I11iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiimwnmrLruahKTLnrLmmnMrumrmh11iIriiiirr-fiirriiiii-mirr|:i:pr

16、-i：ir|i:ir-riiir-r-|!_p|11i11;|lii|Ill|I!II|L卩i(_pi|p!q_psLTOC o 1-5 h zIIIIIIIlliIIIIlliIIIIIIIIIIIIIIL_IIII_!：!：!：!：!：!：!：HiiiiiiiiiiiiiiI*iiiiiiiiiiiiiiiiiiiIport(clk3,en3:instd_logic;qe:outstd_logic_vector(3downto0);qf:outstd_logic_vector(3downto0);endhour;architectureaaofhourissignalcout2,cout1

17、:std_logic_vector(3downto0);beginprocess(clk3,en3)beginifen3=1thenif(clk3eventandclk3=1)thenif(cout2=4andcout1=0)thencout2=0000;cout1=0000;elseif(cout1=9)thencout2=cout2+1;cout1=0000;elsecout2=cout2;cout1=cout1+1;endif;endif;endif;endif;endprocess;qe=cout2;qf-2y-X:-S1J01111111111i11111111111I1111I11

18、111111113）仿真結(jié)果分析:這就是一個24計數(shù)器，用來表示24小時,通過波形可知，程序設(shè)計正確,正常計時就是每次清零后從00:00:00開始計時的，若要從預置時間開始，可以通過“校時”“校分”“清零”三個按鍵調(diào)整時間。(5)數(shù)碼顯示驅(qū)動模塊程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;useieee、std_logic_unsigned、all;entityhhhisport(n1,n2,n3,n4,n5,n6:instd_logic_vector(3downto0);a:instd_logic_vector(2downto0);qqq:outstd

19、_logic_vector(3downto0);endhhh;architectureddofhhhisbeginwithaselectqqq=n1when000,n2when001,n3when010,n4when011,n5when100,n6when101,0000whenothers;enddd;NameValutat11.15n:l+laBOOJ/HnlU1Hn2ir?mU3E:U4rn垃U5nfU6qqqU1仿真波形：3psZ0.4Sus4.日5usBl.-4ue61.92us11IEn=1:匚iiimiiijo了ioi:illY匚iiiXuoi:TOC o 1-5 h zIJIi

20、IIlinIllililtIliillIIi1IIllilIIIiIIIiiiuiiiiii！亠iiiiiiiiiiiiiJIiiiiiiniiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiXi4;)LiniiiIllisiiiiii6ifl!y-1151181I11IIII11i4;)LiniiiIllisiiiiii6ifl!y-1151181I11IIII11111IIII11111IIII111IIIIIIIIIIII11111I1IIIIIIII111IIIIIIIIIIII1111111IIIIIIII11BIIIItillllilI11I111llilIIII111II

21、IIIIIIIIII1111111IIIIIIIIIIII1113）仿真結(jié)果分析:其實這就是一個選擇器，從波形圖可以很容易瞧出來。它就是用來選擇需要顯示的數(shù)字，比如秒的十位，就會選擇n1到譯碼顯示器顯示出來,具備驅(qū)動數(shù)碼管的作用！片選模塊(sell)程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;useieee、std_logic_unsigned、all;entitygggisport(m:instd_logic_vector(2downto0);b:outstd_logic_vector(5downto0);endggg;architectureeeof

22、gggisbeginwithmselectb二100000when000,010000when001,001000when010,000100when011,000010when100,000001when101,000000whenothers;endee;仿真波形:仿真結(jié)果分析:設(shè)置時間時將所需的數(shù)據(jù)傳給顯示模塊，當設(shè)置鬧鈴時將數(shù)據(jù)傳給鬧鐘與顯示模塊。(7)譯碼顯示模塊(display)程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;useieee、std_logic_unsigned、all;entitydecoderisport(x:instd_lo

23、gic_vector(3downto0);y:outstd_logic_vector(6downto0);enddecoder;architectureoneofdecoderisbeginwithxselecty二1111110when0000,0110000when0001,1101101when0010,1111001when0011,0110011when0100,1011011when0101,1011111when0110,1110000when0111,1111111when1000,1111011when1001,0000000whenothers;endone;仿真波形:10

24、01oil、(1100X1101X11L0 x1111XMMX0EL)(OQLO11110110000000；(00000001111110XOHOOOO1101101111111I1a1111111111aiii111111IIIIIIIIiliaIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIill;111I11iiii111I111I11111111111!11I111iiiiIIIIiliaIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII,111111111iiiiIIIiiiiiiiiiiiiiiiaiii111IIIIilia11111IIIIIlliIIIIIII

25、IIIIIIIIIIIII11111111111111IIIIJ11I1p111I11111illiiiiiiiiiiiaiii11111111111111iliaIIII111111IIII111111111IIII11111111111111sisiiiaiiisisg11111111I1iiiiiiiitilliiiiiiiiiiiiaiii111111iiiiiiiiiiiiiiiiiiiilliiaiiiiiiaiiiiiia!1111!411B111I11111I11IIII1_iiiii111iiiiii11111111iiiaiii111111iiiiIIIIilia11111

26、111111111iiiiiiiiillill1I111111111111I11III11111111iiiaiii111IIIIilia_iii111111111111111I111111IIIIIIIillIIIIIIIiiiaiii11111111iiiiaiii11111111iiiaiii11111I111111111iliaIIIIiiiiIIIIiliaiiiiiiaiiiiiiaIIIIIIIIIIIIIIiiiiiiiiillill11111111111111iiiiiiaiiiiiia111111111111I11111111113）仿真結(jié)果分析:此模塊就是用來顯示時間的,

27、采用動態(tài)顯示方式。(8)報時模塊(alart)程序:libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;entitysstisport(h1,h0,m1,m0,s1,s0:instd_logic_vector(3downto0);clk4:instd_logic;q500:outstd_logic);endsst;architecturesssofsstisbeginprocess(clk4,m1,m0,s1,s0)beginif(clk4eventandclk4=1)thenif(h1=0000andh0=0111andm1=0000andm0=0000)or(m1

28、=0101andm0=1001ands1=0101ands0=1001)thenq500=1;elseq500(0)/11I-!IL1InIIIJ15niiiiiiiiiijJ111ill1I1111;ri1IIlliIII111!IlliI111Illi1I1IlliIlli1I111Illi111111111111111I1111I111ii：iii11I1Illi11Illi111IlliIlli1111Illi111IlliIlli11IlliIlli111Illi111IlliIlli11|IlliIIIIlliIlli|ii1iii2.12usInterval:2.1LSEtat:

29、3）仿真結(jié)果分析:通過觀察波形可知，當時鐘時間與整點或鬧鈴預設(shè)時間相同時,給出一個脈沖信號,使蜂鳴器鳴叫，實現(xiàn)整點報時與定時鬧鈴功能。(9)六進制計數(shù)器模塊(cnt6)程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;useieee、std_logic_unsigned、all;entitycnt6isport(clk5:instd_logic;n:outstd_logic_vector(2downto0);endcnt6;architecturebehavofcnt6issignalq1:std_logic_vector(2downto0);beginpro

30、cess(clk5)beginifclk5eventandclk5=1thenifq15thenq1=q1+1;elseq10);endif;endif;endprocess;n=q1;endbehav;仿真波形：MasterlimeBai:11975i-ircin:c-：C905Iiter/d:月爐wCat:Crd:-ai1L.9B：ips20.10us40.96us61.44ue61.ueiiii11.975TL3-1n：lk5ISnB0irojn_nijmmLnurujru_rnuTurrLMLMirhjrh_njmMjJ11111111111I1111111111111l1111I11

31、1111llilllinillllllilllllllilllllllili1111111i1111111111111111111111I111111IIniigiiiiniiiiiiiiiiiiiiiiiiaiiiinii1111111i1111111111111111111111I1111113）仿真結(jié)果分析：很明顯可以瞧出這就是一個簡單的六進制計數(shù)器。它與3-6譯碼器配合作用產(chǎn)生片選信號。(10)兩輸入與模塊(and2a)程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;entityandaisport(a1,b1:instd_logic;y:outst

32、d_logic);endanda;architectureanofandaisbeginy=a1andb1;endan;2）仿真波形:MasterTimeBan11.15Value：atMasterTimeBan11.15Value：at11.15ILS彳彳Pointer:81.58usInterval:81.57usStart:End:：lP=2D.4Bu=ii6111-1畢-11.LBn=1iiiiiiiiaIliiiiiiiiiiiIiiiii1111111II111IIIIIIIIII11I111111111iiiiiii!I93311111iiiiiiiiiiii1111111iii

33、1111111111iiiii111111111111IIIIIII1iiiiiiiiiiiiiiiiiiii!11111：111!I1111IiiiiiiiiiiiiiI仿真結(jié)果分析:經(jīng)觀察波形，程序正確。該與門的兩個輸入端分別為秒模塊與分模塊的進位輸出信號，當它們均為高電平時，時模塊使能端即為高電平，時模塊工作。(11)兩輸入或模塊(or2a)程序：libraryieee;useieee、std_logic_1164、all;entityor_1isport(a1,b1:instd_logic;y:outstd_logic);endor_1;architectureooofor_1isbe

34、ginyh,enl=sc,qa=k,qb二l,col二1);u0:or_1portmap(al=i,bl=sb,y=a);u3:minuteportmap(clk2=h,en2=a,qc=e,qd=f,co2=j);u30:andaportmap(al=i,bl=j,y=b);u31:or_1portmap(al=b,bl=sa,y=c);u4:hourportmap(clk3=h,en3=c,qe=u,qf=v);u5:sstportmap(h1=u,h0=v,m1=e,m0=f,s1=k,s0=l,clk4=h,q500=q1);u6:hhhportmap(n1=k,n2=l,n3=e,n

35、4=f,n5=u,n6=v,qqq=t,a二s);u7:gggportmap(b=r,m=s);u8:cnt6portmap(n=s,clk5=z);u9:decoderportmap(x=t,y=q0);endarchitecturemain;2)仿真波形:3）仿真結(jié)果分析:本次試驗給出的頻率就是50MHZ,用QUARTUS-2軟件把數(shù)字鐘的全部工作過程記錄下來不容易,故這幅圖只就是其工作的一小部分。將程序下載到FPGA芯片中,并與硬件部分對應連接好,可以驗證到我們所預期的所有功能,故可知該頂層文件就是正確的,每一個模塊的功能也都就是正確的,模塊之間的連接也都就是正確的。在軟件調(diào)試仿真過程中

36、,我們以參考資料上的程序為模板,依據(jù)個人的需要添加修改各個功能模塊,盡管有模板作為參考,仿真過程中還就是出了很多的問題，例如在做數(shù)碼管動態(tài)顯示中，我們采用了NPN型9013晶體三極管作為數(shù)碼管的接地驅(qū)動,這里的片選信號應該就是高電平有效,我們原程序就是低電平,經(jīng)過多次的與其她組的學習交流中,找到了這個錯誤。解決分頻問題中,我們也在分頻模塊中做了修改,得到我們所需要的頻率。5、硬件電路設(shè)計與安裝電路（1）按照電路功能設(shè)計好硬件部分安裝圖（電路安裝圖詳見末頁圖b）;（2）焊接前應先排好線,再焊接電路,注意不能飛線,可正反穿線焊接;（3）焊接過程中注意各引腳的功能,不能接錯;（4）焊接完后需要仔細檢查后方能通電，電源電壓為5V。所需元器件清單元器件規(guī)格數(shù)量元器件規(guī)格數(shù)量電阻1KQ11開關(guān)單刀雙置4電阻200Q18杜邦線若干三極管90136插針50數(shù)碼管共陰6導線若干萬能板1蜂鳴器16、硬件電路安裝與調(diào)試1）借助杜邦線將芯片與所焊接硬件電路根據(jù)之前鎖定好的引腳一一連接好，在本設(shè)計中，各引腳鎖定情況就是：clk:17,q00q06分別對應芯片引腳:65，63，59，57，53，51，47;r0r5分別對應芯片引腳:42,40,31,28,26,24,;sa,sb,sc分別對應芯片引腳：80,86,92;ql對應芯片引腳：44,q00q06對應數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g