基于FPGA的電子表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、精品安康學(xué)院FPGA/SOPC設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課題名稱(chēng)：基于FPGA的電子表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)姓名：劉玲學(xué)號(hào)：0828024057院系：電子與信息工程系專(zhuān)業(yè)：電子信息工程指導(dǎo)教師：王慶春崔智軍時(shí)間：2011年6月12日-7月10日一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：1、設(shè)計(jì)任務(wù)：利用QuartusII軟件，設(shè)計(jì)一個(gè)多功能數(shù)字鐘，要求顯示格式為小時(shí)一分鐘一秒鐘，調(diào)整時(shí)間的按鍵用按鍵模塊的k1和k2,k1調(diào)節(jié)小時(shí)，每按下一次，小時(shí)增加一個(gè)小時(shí)，k2調(diào)整分鐘，每按下一次，分鐘增加一分鐘。還要通過(guò)按鍵來(lái)控制時(shí)鐘與秒表顯示的切換功能，按鍵k沒(méi)按下時(shí)為時(shí)鐘顯示功能，按下時(shí)為秒表顯示功能。Ret按鍵復(fù)位，復(fù)位后全部顯示000000。2、

2、要求：設(shè)計(jì)一個(gè)多功能數(shù)字鐘，要求顯示格式為小時(shí)一分鐘一秒鐘，調(diào)整時(shí)間的按鍵用按鍵模塊的k1和k2,k1調(diào)節(jié)小時(shí)，每按下一次，小時(shí)增加一個(gè)小時(shí)，k2調(diào)整分鐘，每按下一次，分鐘增加一分鐘。指導(dǎo)教師簽名：年月日二、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師簽名：年月日三、成績(jī)?cè)u(píng)定：指導(dǎo)教師簽名：年月日四、系部意見(jiàn)：系部蓋章：年月日設(shè)計(jì)項(xiàng)目成績(jī)?cè)u(píng)定表感謝下載載設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)目錄一、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)原理12.1 、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)器12.2 、校時(shí)電路2三、設(shè)計(jì)過(guò)程23.1 、整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖23.2 、各模塊電路設(shè)計(jì)3五、課程設(shè)計(jì)體會(huì)與收獲7六、設(shè)計(jì)問(wèn)題及問(wèn)題解決7七、參考文獻(xiàn)8附錄8一、設(shè)計(jì)目的1 、熟悉數(shù)字集成電路的引腳

3、安排。2 、掌握EDA芯片的邏輯功能及使用方法。3 、了解Quartus軟件的應(yīng)用。4 、掌握在Quartus環(huán)境下VHDL代碼仿真的實(shí)現(xiàn)。5、了解數(shù)字電子表的功能工作模塊及工作原理。二、設(shè)計(jì)原理數(shù)字時(shí)鐘電路由秒、分、時(shí)5個(gè)計(jì)數(shù)模塊和6個(gè)顯示譯碼模塊組成。秒計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)時(shí)鐘clk為1Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。當(dāng)數(shù)字鐘處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)時(shí),秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出信號(hào)c作為分鐘模塊的計(jì)數(shù)信號(hào),分計(jì)數(shù)模塊的進(jìn)位輸出c為小時(shí)模塊的計(jì)數(shù)信號(hào)。數(shù)字鐘除了正常計(jì)時(shí)外,還能夠調(diào)整時(shí)間。在本文中,通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)din的3個(gè)輸入量的高低電平而分別實(shí)現(xiàn)對(duì)秒、分、時(shí)的調(diào)整。2.1 、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)器時(shí)計(jì)時(shí)器為一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分、

4、秒計(jì)時(shí)器均為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。當(dāng)秒計(jì)時(shí)器接受到一個(gè)秒脈沖時(shí)，秒計(jì)數(shù)器開(kāi)始從1計(jì)數(shù)到60，此時(shí)秒顯示器將顯示00、01、02、.、59、00；每當(dāng)秒計(jì)數(shù)器數(shù)到00時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出送至分計(jì)時(shí)器，此時(shí)分計(jì)數(shù)器數(shù)值在原有基礎(chǔ)上加1，其顯示器將顯示00、01、02、.、59、00；每當(dāng)分計(jì)數(shù)器數(shù)到00時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出送至?xí)r計(jì)時(shí)器，此時(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)值在原有基礎(chǔ)上加1，其顯示器將顯示00、01、02、.、23、00。即當(dāng)數(shù)字鐘運(yùn)行到23點(diǎn)59分59秒時(shí)，當(dāng)秒計(jì)時(shí)器在精品接受一個(gè)秒脈沖，數(shù)字鐘將自動(dòng)顯示00點(diǎn)00分00秒。2.2 、校時(shí)電路當(dāng)開(kāi)關(guān)撥至校時(shí)檔時(shí)，電子鐘秒計(jì)時(shí)工作，通過(guò)時(shí)、分校時(shí)開(kāi)關(guān)分

5、別對(duì)時(shí)、分進(jìn)行校對(duì)，開(kāi)關(guān)每按1次，與開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的時(shí)或分計(jì)數(shù)器加1,當(dāng)調(diào)至需要的時(shí)與分時(shí)，撥動(dòng)reset開(kāi)關(guān)，電子鐘從設(shè)置的時(shí)間開(kāi)始往后計(jì)時(shí)。三、設(shè)計(jì)過(guò)程3.1、 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖a.數(shù)字電子表系統(tǒng)方框圖如圖1所示圖1數(shù)字電子表系統(tǒng)框圖秒計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)為1Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可以由CPLD板上提供的20MHz的信號(hào)通過(guò)分頻得到。秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出信號(hào)作為分鐘計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)，分鐘計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出信號(hào)又作為小時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)。設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)顯示時(shí)、分、秒6個(gè)數(shù)字的數(shù)字鐘，則需要6個(gè)七段顯示器。3.2、 各模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1、 分頻器模塊由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)僅提供50MHz頻率，所以，需要通過(guò)分頻器電路分

6、出所需頻率的信號(hào)，對(duì)于時(shí)鐘來(lái)說(shuō)，最基本的是1HZ信號(hào)，而對(duì)于數(shù)碼管掃描最基本的是1KHZ,秒表是100HZ,所以先通過(guò)分頻器把50MHZ分頻為1HZ、100HZ和1KHZ03.2.2、 秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器模塊a.24進(jìn)制計(jì)數(shù)器(1) VHDL程序代碼見(jiàn)附錄：程序2(2)仿真圖：如圖2圖2 24進(jìn)制電路結(jié)構(gòu)符號(hào)圖8/#電Q后金/g中4二加日¥、!1fi<»£聃用、|料Anmi24日產(chǎn),I目辿(1) VHDL程序代碼見(jiàn)附錄程序3感謝下載載b.60進(jìn)制計(jì)數(shù)器精品(2)仿真圖：如圖3國(guó)| 哈 Compializri F eporl - FIm Sunnnrary |

7、圍 cdukGA bJFI 趨 ckjgen v圖360進(jìn)制電路結(jié)構(gòu)符號(hào)圖感謝下載載秒、分計(jì)數(shù)模塊都是60進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，時(shí)計(jì)數(shù)模塊是24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。與一般的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器不同的是秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)模塊中分別添加了調(diào)節(jié)秒、分和小時(shí)的功能3.2.3、 動(dòng)態(tài)顯示輸出模塊為了得到正確的顯示內(nèi)容，需要將秒、分和小時(shí)的每一位輸出信號(hào)輸入至7段譯碼電路來(lái)得到相應(yīng)的顯示信息.通過(guò)6進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)控制位譯碼器，以得到哪一個(gè)7段數(shù)碼(共6個(gè))管被點(diǎn)亮，同時(shí)用該計(jì)數(shù)器選擇6位二進(jìn)制的顯示內(nèi)容輸入7段譯碼器.可以得到所有的數(shù)碼管同時(shí)顯示相應(yīng)數(shù)字的效果.3.2.4、 功能控制模塊系統(tǒng)提供的有4個(gè)搖頭開(kāi)關(guān)，我們可以通過(guò)這些開(kāi)關(guān)

8、來(lái)達(dá)到清零，暫停以及調(diào)整時(shí)間的功能，每個(gè)開(kāi)關(guān)旁邊對(duì)應(yīng)的有三個(gè)管腳，中間的管腳是輸出管腳，上下兩個(gè)分別接輸入信號(hào)，即高低電平，若上面的管腳接高電平，下面的管腳接低電平，那么當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到下方時(shí)，中間的管腳輸出的就是高電平，若把開(kāi)關(guān)撥到上方時(shí)，輸出管腳輸出低電平3.2.5、 調(diào)整時(shí)間模塊利用剩下的兩個(gè)開(kāi)關(guān)組件實(shí)現(xiàn)該功能。其思想是通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)的控制選擇要調(diào)整的位，加入另外一個(gè)頻率較大的時(shí)鐘讓其進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到了要調(diào)整的時(shí)間后通過(guò)另一個(gè)開(kāi)關(guān)的控制保存調(diào)整好的時(shí)間。具體實(shí)現(xiàn)為加入調(diào)整時(shí)間的模塊用來(lái)控制時(shí)鐘、分鐘、秒鐘的計(jì)數(shù)。VHDL程序代碼見(jiàn)附錄程序4四、系統(tǒng)調(diào)試與下載驗(yàn)證將程序下載到FPGA器件中進(jìn)行硬件

9、測(cè)試。4.1、 在Quartus環(huán)境下仿真結(jié)果見(jiàn)以下圖形圖4功能仿真圖4.2、 下載顯示輸出結(jié)果如下圖所示圖5秒控制顯示圖圖6小時(shí)-分控制顯示圖圖7小時(shí)控制顯示圖五、課程設(shè)計(jì)體會(huì)與收獲這次最大的收獲就是學(xué)會(huì)了很系統(tǒng)地去解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，學(xué)會(huì)了巧妙運(yùn)用模塊化的思想。在整個(gè)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，最成功的地方就是有條理地將功能細(xì)化，分成一個(gè)一個(gè)小的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中，我更深刻地體會(huì)從分立元件到中下規(guī)模集成電路再到大規(guī)模集成電路的組成過(guò)程。同時(shí)也更加深入地了解了Quarterii這一軟件的更多的功能。六、設(shè)計(jì)問(wèn)題及問(wèn)題解決1 .編譯通過(guò)后，下載到硬件上之后，發(fā)現(xiàn)程序并沒(méi)有預(yù)期的效果。如顯示亂序而沒(méi)有

10、規(guī)律等等，當(dāng)加入適當(dāng)?shù)倪x通信號(hào)或者脈沖后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題得到了解決。所以必須在實(shí)踐中不斷地修改以得到正確的結(jié)論。2 .高電平有效還是低電平有效，這是一個(gè)非常容易忽視的問(wèn)題，有時(shí)就知道這個(gè)端口要控制信號(hào)但不考慮好什么電平有效，造成錯(cuò)誤，使得使能端或者清零端的出現(xiàn)錯(cuò)誤控制信號(hào)。并且到底是脈沖控制，還是邊沿控制一定要清楚。在實(shí)驗(yàn)時(shí)候可以避免一些不必要的麻煩。3引腳重復(fù)使用也是一個(gè)問(wèn)題，有時(shí)候輸出信號(hào)必須輸出到一個(gè)特定的引腳。而輸出來(lái)自?xún)陕沸盘?hào)，這時(shí)候必須加入一個(gè)選擇器件選擇輸出信號(hào)輸出。在實(shí)際調(diào)試的時(shí)候我們必須耐心思考，遇到問(wèn)題針對(duì)問(wèn)題出現(xiàn)的原因認(rèn)真思考以解決問(wèn)題。七、參考文獻(xiàn)1 侯伯亨,顧新.VHDL硬件

11、描述語(yǔ)言與數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001.2 潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程M.北京:科學(xué)出版社,2002.3 李國(guó)洪,沈明山.可編程器件EDA技術(shù)與實(shí)踐M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.4 張淑驊.基于FPGA的數(shù)字秒表的VHDL設(shè)計(jì)J.大眾科技,2006(5)5 陳意軍.基于VHDL的FPGA開(kāi)發(fā)J.電子與封裝,2006(3)附錄程序1精品/Title:clock_LPMtopModule/Design:eda/Author:wqc328/Company:AKU_eie/File:clk_gen.v/Generated:SunMar2511:26:41201

12、1/From:interfacedescriptionfile/By:Itf2Vhdlver.1.20/Description:/Clock_LPMtopmodule/moduleclock_LCD(clk_50m,/systeminputclock;reset,/systemreset;lowvoltageresetadj,/inputclockadjustmode,/inputclockmodeSW0,/clocktestenableSW1,/ledspeedcontrSW2,/ledturnON/OFFdp01,dp34,dp67,dp25,/SEGdotformodeflag;HEX0

13、,HEX1,HEX2,HEX3,HEX4,HEX5,HEX6,HEX7,/outputto8SEGLEDG,LEDR,/outputtoLED18+8LCD_DATA,oLCD_ON,感謝下載載精品oLCD_RW,oLCD_EN,oLCD_RS);inputclk_50m,reset,adj,mode,SW0,SW1,SW2;output1:0dp01,dp34,dp67,dp25;output6:0HEX0,HEX1,HEX2,HEX3,HEX4,HEX5,HEX6,HEX7;output17:0LEDR;output7:0LEDG;output 7:0 LCD_DATA;/ LCD Dat

14、a bus 8 bitsoutputoLCD_ON;/LCDPowerON/OFFoutputoLCD_RW;/LCDRead/WriteSelect,0=Write,1=ReadoutputoLCD_EN;/LCDEnableoutputoLCD_RS;/LCDCommand/DataSelect,0=Command,1=Datawireclk_50m,clk_33m,clk_1;wireadj,mode,SW0,SW1;wire24:0clk;wirerco_sec,rco_min,rco_hour;wireclk_sec,clk_min,clk_hour;wire1:0dp01,dp34

15、,dp67,dp25;wire6:0HEX0,HEX1,HEX2,HEX3,HEX4,HEX5,HEX6,HEX7;wire6:0HEX00,HEX01,HEX03,HEX04,HEX06,HEX07;wire31:0iDIG;wire1:0modf;wireclk_led1,clk_led;wire17:0LEDR;wire7:0LEDG;wire 7:0LCD_DATA;/wireoLCD_ON;/wireoLCD_RW;/ReadwireoLCD_EN;/wireoLCD_RS;/LCD Data bus 8 bitsLCD Power ON/OFFLCD Read/Write Sele

16、ct, 0 = Write, 1 =LCD EnableLCD Command/Data Select, 0=Command,1=DataPLL50MU1(.inclk0(clk_50m),.c0(clk_33m);感謝下載載精品clk_genU2(.clk_33m(clk_33m),.rst(reset),.count(clk);clk20 : clk24;assignclk_1=(SW0=1'b1)adjustU3(.clk_1(clk_1),感謝下載載.adj(adj),.sec_co(rco_sec),.min_co(rco_min),.mode(mode),.rst(rese

17、t),.clk_sec(clk_sec),.clk_min(clk_min),.clk_hour(clk_hour),.mod(modf);/counter_input;/mmodeselect;/systemreset/outputclockclk;/adjustflagassigndp25=2'b11;assigndp01=2'b11;assigndp34=2'b11;assigndp67=2'b11;/31-30-29-2827-26-25-24$23-22-21-20/19-18-17-1615-14-13-12$11-10-09-08/07-06-05

18、-0403-02-01-00assigniDIG11:8=4'd10;assigniDIG23:20=4'd10;assignCOUNT_60U4(.clk(clk_sec),.rst(reset),.rco(rco_sec),.q(iDIG6:0);COUNT_60U5(.clk(clk_min),.rst(reset),.rco(rco_min),.q(iDIG18:12);COUNT_24U6(.clk(clk_hour),iDIG31:30,iDIG19,iDIG7=4'b0000;/count input clock;/system reset;/carry

19、output/BCD code output/count input clock;/system reset;/carry output/BCD code output/count input clock;/system reset;.rst(reset),精品.rco(rco_hour),/carryoutput感謝下載載.q(iDIG29:24);sem_driveU7(.oSEG0(HEX00),.oSEG1(HEX01),.oSEG2(HEX2),.oSEG3(HEX03),.oSEG4(HEX04),.oSEG5(HEX5),.oSEG6(HEX06),.oSEG7(HEX07),/

20、outputto8SEG.iDIG(iDIG);/input8-BCDcode(4*8=32bit)assignHEX0,HEX1=(modf!=2'b01)?HEX00,HEX01:(!clk23=1'b1)?HEX00,HEX01:7'd127,7'd127;assignHEX3,HEX4=(modf!=2'b10)?HEX03,HEX04:(!clk23=1'b1)?HEX03,HEX04:7'd127,7'd127;assignHEX6,HEX7=(modf!=2'b11)?HEX06,HEX07精品:(!clk2

21、3=1'b1)?HEX06,HEX07:7'd127,7'd127;assignclk_led1=(SW1=1'b1)?clk21:clk20;assignclk_led=(SW2=1'b1)?clk_led1:1'b0;/system clock;led_controlU8(.clk(clk_led),lcdU9(.iCLK(clk_33m),/clk_MHZ.rst(reset),/system reset;.LEDG(LEDG),/output to LEDG;.LEDR(LEDR);/output to LEDR;.iRST_N(rese

22、t),/reset/LCDSide.LCD_DATA(LCD_DATA),.LCD_RW(oLCD_RW),.LCD_EN(oLCD_EN),.LCD_RS(oLCD_RS),.LCD_ON(oLCD_ON),.in3(iDIG31:24),.in2(iDIG19:12),.in1(iDIG7:0),.clk_4(clk23);感謝下載載endmodule程序2/Title:COUNTER_24/Design:eda/Author:wqc328/Company:AKU_eie/File:clk_gen.v/Generated:SunMar2511:26:412011/From:interfac

23、edescriptionfile/By:Itf2Vhdlver.1.20/Description:/BCDcounter_24forhourmodule/moduleCOUNT_24(clk,/countinputclock;rst,/systemreset;rco,/carryoutputq);/BCDcodeoutputinputclk,rst;outputregrco;output5:0q;wireclk,rst;reg5:0q;/*regen;*always(posedgeclkornegedgerst)if(!rst)q3:0<=4'd0;elseif(q3:0=4&#

24、39;d8)beginq3:0<=q3:0+1'b1;en<=1'b1;endelseif(q3:0=4'd9|q=6'h23)beginq3:0<=4'd0;en<=1'b0;endelsebeginq3:0<=q3:0+1'b1;en<=1'b0;end精品always(posedgeclkornegedgerst)if(!rst)q5:4<=2'd0;endendelseif(en)beginq5:4<=q5:4+1'b1;rco<=1'b0;el

25、seif(q=6'h23)beginq5:4<=2'd0;rco<=1'b1;else;endmodule程序3/Title:COUNTER_60/Design:eda/Author:wqc328/Company:AKU_eie/File:clk_gen.v/Generated:SunMar2511:26:412011/From:interfacedescriptionfile/By:Itf2Vhdlver.1.20/Description:/BCDcounter_60forsecondandminutermodule/moduleCOUNT_60(clk,

26、/countinputclock;rst,/systemreset;rco,/carryoutputq);/BCDcodeoutputinputclk,rst;outputregrco;output6:0q;wireclk,rst;reg6:0q;regen;/*always(posedgeclkornegedgerst)if(!rst)q3:0<=4'd0;elseif(q3:0=4'd8)beginq3:0<=q3:0+1'b1;en<=1'b1;endelseif(q3:0=4'd9)beginq3:0<=4'd0;

27、en<=1'b0;elsebeginq3:0<=q3:0+1'b1;en<=1'b0;endalways(posedgeclkornegedgerst)if(!rst)q6:4<=3'd0;elseif(en)beginif(q6:4=3'd5)beginq6:4<=3'd0;rco<=1'b1;elsebeginq6:4<=q6:4+1'b1;rco<=1'b0;endelse;endendendendmodule程序4PROCESS(CLK)BEGINIFCLKEVENT

28、ANDCLK=1THENCASECOUNTISWHEN"101"=>COUNT<="000"CHOOSEOUT<=S1;LT<="111110"WHEN"000"=>COUNT<=COUNT+1;CHOOSEOUT<=S2;LT<="111101"WHEN"001"=>COUNT<=COUNT+1;CHOOSEOUT<=S3;LT<="111011"WHEN"010"=>COUNT<=COUNT+1;CHOOSEOUT<=S4;LT<="110111"WHEN"011"=>COUNT<=COUNT+1;CHOOSEOUT<=S5;LT<="101111"WHEN"