數(shù)字時鐘設(shè)計

數(shù)字時鐘設(shè)計第1頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

本章給出了PLD器件在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的典型應(yīng)用實例-數(shù)字時鐘的設(shè)計。數(shù)字時鐘的設(shè)計也是PLD在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的經(jīng)典應(yīng)用。該章首先介紹了數(shù)字時鐘的功能要求和整體結(jié)構(gòu)；隨后具體介紹了數(shù)字時鐘的模塊設(shè)計，其中包括數(shù)字時鐘控制信號和控制模塊的具體結(jié)構(gòu)。本章最后詳細描述了設(shè)計的具體實現(xiàn)過程，具體包括數(shù)字時鐘的計數(shù)模塊設(shè)計、計數(shù)時鐘及掃描時鐘設(shè)計和顯示控制模塊設(shè)計。數(shù)字時鐘設(shè)計-本章概要第11章第十一章第2頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

數(shù)字鐘時常見的一種計數(shù)裝置，數(shù)字鐘以1Hz的頻率工作。該設(shè)計完成數(shù)字鐘的運行和顯示。其主要功能有：數(shù)字鐘以1Hz的頻率工作，其輸入頻率為1MHz。數(shù)字鐘顯示時、分、秒信息。這些顯示信息在6個7段數(shù)碼管上完成。通過按鍵設(shè)置時、分信息。并且具有對數(shù)字鐘的復(fù)位功能。復(fù)位鍵將時、分、秒清零，并做好重新計數(shù)的準備。按鍵具有預(yù)置時、分的功能。分別對當前的時和分信息做遞增設(shè)置和遞減設(shè)置。第十一章數(shù)字時鐘設(shè)計-數(shù)字時鐘的功能要求●第3頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六第十一章數(shù)字時鐘設(shè)計-數(shù)字時鐘的結(jié)構(gòu)●第4頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六第十一章數(shù)字時鐘設(shè)計-數(shù)字時鐘的結(jié)構(gòu)

圖11.1給出了該數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看到，數(shù)字鐘由：復(fù)位按鍵（reset）；小時遞增按鍵（hour_inc）；小時遞減按鍵（hour_dec）；分鐘遞增按鍵（min_inc）；分鐘遞減按鍵（min_dec）；時鐘輸入；

7段LED顯示LED管選擇信號線sel；

LED碼控制信號線(segment)●第5頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

該數(shù)字鐘的控制部分由PLD芯片完成。該芯片的輸入和輸出接口由下面信號組成：輸入信號：復(fù)位信號（reset）時鐘輸入信號（clk）小時遞增信號（hour_inc）小時遞減信號(hour_dec)分鐘遞增信號（min_inc）分鐘遞減信號（min_dec）數(shù)字時鐘設(shè)計-數(shù)字時鐘的信號第十一章●第6頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六輸出信號：LED選擇信號（sel）LED碼顯示控制信號(segment)數(shù)字時鐘設(shè)計-數(shù)字時鐘的信號第十一章●第7頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

該設(shè)計分成下面四個模塊：定時時鐘模塊、掃描時鐘模塊、按鍵處理模塊、定時計數(shù)模塊和顯示控制模塊。圖11.2給出了這幾個模塊之間的信號連接關(guān)系。第十一章數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)●第8頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

1、按鍵處理模塊由于VHDL語言的規(guī)則，將按鍵的處理和定時模塊設(shè)計在一起。為了描述清楚，將對按鍵的處理進行說明。在該設(shè)計中，采用異步復(fù)位電路方式。當復(fù)位信號低有效時，計數(shù)器停止計數(shù)，時、分、秒清零。對于小時的遞增、遞減按鍵操作，通過一個1Hz的計數(shù)時鐘采樣。圖11.3給出了遞增、遞減的操作時序。第十一章數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)●第9頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六第十一章數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)●第10頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

當1Hz的div_clk信號的上升沿到來時，檢測hour_inc和hour_dec按鍵，圖中的虛線表示在時鐘的上升沿對按鍵信號進行采樣。當hour_inc或hour_dec按鍵低有效時，對小時進行遞加或遞減操作。對于分鐘的遞加、遞減按鍵操作，也是通過一個1Hz的計數(shù)時鐘采樣。原理同圖11.4。數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)第十一章●第11頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

2、定時時鐘模塊

定時時鐘模塊其作用就是將外部提供的1MHz的時鐘，通過分頻器后向模塊內(nèi)的定時計數(shù)模塊提供1Hz的定時計數(shù)時鐘。在設(shè)計定時時鐘模塊時，采用同步計數(shù)電路。數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)第十一章●第12頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

3、掃描時鐘模塊掃描時鐘模塊的作用就是通過對1MHz的分頻處理后，向顯示控制模塊提供合適的顯示掃描時鐘，該時鐘必須經(jīng)過合理的設(shè)計，才能保證7段數(shù)碼顯示的穩(wěn)定。在設(shè)計掃描時鐘模塊時，采用同步計數(shù)電路。數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)第十一章●第13頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

4、定時計數(shù)模塊

定時計數(shù)模塊是該設(shè)計中最重要的一部分，在設(shè)計該模塊時，為了便于后續(xù)顯示控制模塊的設(shè)計，將時、分、秒進行分離，即小時分成了小時的十位和個位分別處理，分鐘分成了分鐘的十位和個位分別處理。秒分成了秒的十位和個位分別處理。在該設(shè)計中，采用24小時計數(shù)模式。例如：13：28：57。13為小時的表示，1為小時的十位，3為小時的個位；28為分鐘的表示，2為分鐘的十位，8為分鐘的個位；57為秒的表示，5為秒的十位，7為秒的個位。數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)第十一章●第14頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

秒的個位計數(shù)從0-9，即十進制計數(shù)。當秒的個位計數(shù)到9后，準備向秒的十位進位。秒的十位計數(shù)從0-5，即六進制計數(shù)。當秒的十位計數(shù)到5后，準備向分的個位進位。分鐘的個位計數(shù)從0-9，即十進制計數(shù)。當分鐘的個位計數(shù)到9后，準備向分鐘的十位進位。分鐘的十位計數(shù)從0-5，即六進制計數(shù)。當分鐘的十位計數(shù)到5后，準備向小時的個位進位。對于小時的處理比較復(fù)雜，小時的十位和個位之間存在下面的關(guān)系：當小時的十位為0或1時，小時的個位可以計數(shù)范圍為0-9，即十進制計數(shù)；當小時的十位為2時，小時的各位可以計數(shù)的范圍為0-3，即四進制計數(shù)；數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)第十一章●第15頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)第十一章●第16頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

5、顯示控制模塊

顯示控制模塊主要作用是在7段數(shù)碼管上正確的顯示0-9的數(shù)字。sel三位LED選擇線和3-8譯碼器相連數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)第十一章●第17頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六整個工程窗口：含設(shè)計時鐘源文件、仿真測試文件、用戶約束文件第十一章數(shù)字時鐘設(shè)計-控制模塊結(jié)構(gòu)●第18頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字時鐘設(shè)計-行為仿真結(jié)果第十一章●第19頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字時鐘設(shè)計-布局布線仿真結(jié)果第十一章●第20頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

選擇“project->newsource”；設(shè)置實現(xiàn)約束文件類型ImplementationConstraintsFile，文件名clock；單擊“下一步”，選中與“clock”關(guān)聯(lián)；單擊“下一步”，單擊“完成”；選中“clcok.ucf”文件，在Processview窗口雙擊“Assignpackagepins”，出現(xiàn)XinlinxPACE窗口界面；數(shù)字時鐘設(shè)計-用戶約束文件設(shè)置第十一章●第21頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字時鐘設(shè)計-XinlinxPACE窗口界面第十一章●第22頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六6.單擊DesignObjectList-IOPins窗口中每一信號后的Loc，可以輸入對應(yīng)的FPGA引腳，形式如P78。設(shè)置完成，保存文件，退出XilinxPACE窗口，完成引腳分配。數(shù)字時鐘設(shè)計-用戶約束文件設(shè)置第十一章●第23頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字時鐘設(shè)計-引腳分配文件第十一章●第24頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六1.首先選中“GenerateProgrammingFile”,右鍵單擊，單擊“Properties”；

2.選中“ProcessProperties”窗口下的“Startupoptions”標簽，設(shè)置“FPGAstart-upclock”為JTAG，單擊“確定”；數(shù)字時鐘設(shè)計-編程下載驗證第十一章●第25頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字時鐘設(shè)計-編程下載驗證第十一章●第26頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

3.在如下圖所示的“Processforsource:clock-behavioral”中，雙擊ConfigureDevice(iMPACT).數(shù)字時鐘設(shè)計-編程下載驗證第十一章●第27頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

4.系統(tǒng)自動進行綜合、實現(xiàn)過程，若沒有錯誤，將出現(xiàn)如下窗口，單擊“下一步”，單擊“完成”；數(shù)字時鐘設(shè)計-編程下載驗證第十一章●第28頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

5.出現(xiàn)一個確認窗口，告知檢測到一個器件，單擊“確定”按鈕；

6.選擇剛剛生成的bit文件，單擊“打開”；

7.可能會出現(xiàn)警告，單擊“確定”；

8.此時界面中JTAG鏈上只有一個器件，型號為XC3S400，單擊鼠標右鍵，單擊“Program…”，完成對器件編程，進行實際驗證。數(shù)字時鐘設(shè)計-編程下載驗證第十一章●第29頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;--實體定義部分entityclockisport( clk:instd_logic; rst:instd_logic; inc_min:instd_logic; sub_min:instd_logic; inc_hour:instd_logic; sub_hour:instd_logic; sel:outstd_logic_vector(2downto0); q:outstd_logic_vector(7downto0));endclock;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第30頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--信號定義：

architectureBehavioralofclockissignalsec_counter1:std_logic_vector(3downto0);signalsec_counter2:std_logic_vector(3downto0);signalmin_counter1:std_logic_vector(3downto0);signalmin_counter2:std_logic_vector(3downto0);signalhour_counter1:std_logic_vector(3downto0);signalhour_counter2:std_logic_vector(3downto0);signaldivcounter:std_logic_vector(3downto0);signaldiv_clk:std_logic;signalscancounter:std_logic_vector(1downto0);signalscan_clk:std_logic;signalscan_out:std_logic_vector(2downto0);signalsecseg1,secseg2,minseg1,minseg2,hourseg1,hourseg2:std_logic_vector(7downto0);begin數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第31頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--計數(shù)時鐘，對外部輸入時鐘分頻，此處只適用于仿真，實際進行時間計數(shù)時，分頻后時鐘應(yīng)該滿足1HZ。process(rst,clk)beginif(rst='0')then divcounter<="0000"; div_clk<='0'; elsif(rising_edge(clk)) then if(divcounter="1111")then divcounter<="0000"; div_clk<=notdiv_clk;else divcounter<=divcounter+'1';endif; endif;endprocess;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第32頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--仿真時數(shù)碼管掃描時鐘，實際中需根據(jù)具體情況進行調(diào)解時鐘頻率process(rst,clk)begin if(rst='0')then scancounter<="00"; scan_clk<='0';elsif(rising_edge(clk)) then if(scancounter="11")then scancounter<="00"; scan_clk<=notscan_clk;else scancounter<=scancounter+'1';endif;endif; endprocess;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第33頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--時鐘計數(shù)部分主進程

--時鐘復(fù)位clock:process(div_clk,rst)beginif(rst='0')then sec_counter1<=X"0"; sec_counter2<=X"0"; min_counter1<=X"0"; min_counter2<=X"0"; hour_counter1<=X"0"; hour_counter2<=X"0";

數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第34頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

--手動調(diào)分，遞增elsif(rising_edge(div_clk))thenif(inc_min='0')then if(min_counter1=X"9")then min_counter1<=X"0"; if(min_counter2>=X"5")then min_counter2<=X"0";elsemin_counter2<=min_counter2+1;endif;else min_counter1<=min_counter1+1;endif;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第35頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--手動調(diào)分，遞減elsif(sub_min='0')then if(min_counter1=X"0")then min_counter1<=X"9";if(min_counter2=X"0")then min_counter2<=X"5";else min_counter2<=min_counter2-1;endif;else min_counter1<=min_counter1-1;

endif;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第36頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--手動調(diào)時，增時elsif(inc_hour='0')then if(hour_counter2=X"2")then if(hour_counter1=X"3")then hour_counter1<=X"0"; hour_counter2<=X"0"; else hour_counter1<=hour_counter1+1; endif;elseif(hour_counter1=X"9")then hour_counter1<=X"0"; hour_counter2<=hour_counter2+1;else hour_counter1<=hour_counter1+1;endif;endif;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第37頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--手動調(diào)時，減時elsif(sub_hour='0')thenif(hour_counter1=X"0")then if(hour_counter2=X"0")thenhour_counter1<=X"3"; hour_counter2<=X"2"; else hour_counter2<=hour_counter2-1; hour_counter1<=X"9";endif;else hour_counter1<=hour_counter1-1;endif;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第38頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--時分秒正常計數(shù)elseif(sec_counter1>=X"9")then sec_counter1<=X"0"; if(sec_counter2>=X"5")then sec_counter2<=X"0"; if(min_counter1>=X"9")then min_counter1<=X"0"; if(min_counter2>=X"5")thenmin_counter2<=X"0"; if(hour_counter2=X"2")then if(hour_counter1=X"3")thenhour_counter1<=X"0"; hour_counter2<=X"0";數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第39頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六else hour_counter1<=hour_counter1+1;endif;elseif(hour_counter1=X"9")then hour_counter1<=X"0"; hour_counter2<=hour_counter2+1;elsehour_counter1<=hour_counter1+1;endif;endif;elsemin_counter2<=min_counter2+1;endif;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第40頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

elsemin_counter1<=min_counter1+1;endif;elsesec_counter2<=sec_counter2+1;endif;elsesec_counter1<=sec_counter1+1;endif;endif;endif;

endprocessclock;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第41頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--生成掃描時鐘process(rst,scan_clk) begin if(rst='0')then scan_out<="000"; elsif(rising_edge(scan_clk))then if(scan_out="101")then scan_out<="000";else scan_out<=scan_out+1; endif; endif;endprocess;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第42頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--掃描輸出進程process(scan_out)begincasescan_outiswhen"000"=>q<=secseg1;sel<="000"; when"001"=>q<=secseg2;sel<="001";when"010"=>q<=minseg1;sel<="010";when"011"=>q<=minseg2;sel<="011";when"100"=>q<=hourseg1; sel<="100"; when"101" =>q<=hourseg2;sel<="101";whenothers=>q<="11111111";sel<="111";endcase;endprocess;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第43頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--秒低位顯示second_counter1:process(sec_counter1) begin casesec_counter1is when"0000"=>secseg1<="10111111"; when"0001"=>secseg1<="10000110"; when"0010"=>secseg1<="11011011"; when"0011"=>secseg1<="11001111"; when"0100"=>secseg1<="11100110"; when"0101"=>secseg1<="11101101"; when"0110"=>secseg1<="11111101"; when"0111"=>secseg1<="10000111"; when"1000"=>secseg1<="11111111"; when"1001"=>secseg1<="11101111"; whenothers=>secseg1<="11111111";endcase;endprocesssecond_counter1;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第44頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--秒高位顯示second_counter2:process(sec_counter2) begin casesec_counter2is when"0000"=>secseg2<="00111111"; when"0001"=>secseg2<="00000110"; when"0010"=>secseg2<="01011011"; when"0011"=>secseg2<="01001111"; when"0100"=>secseg2<="01100110"; when"0101"=>secseg2<="01101101"; whenothers=>secseg2<="01111111";endcase;endprocesssecond_counter2;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第45頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--分低位顯示minute_counter1:process(min_counter1) begin casemin_counter1is when"0000"=>minseg1<="10111111"; when"0001"=>minseg1<="10000110"; when"0010"=>minseg1<="11011011"; when"0011"=>minseg1<="11001111"; when"0100"=>minseg1<="11100110"; when"0101"=>minseg1<="11101101"; when"0110"=>minseg1<="11111101"; when"0111"=>minseg1<="10000111"; when"1000"=>minseg1<="11111111"; when"1001"=>minseg1<="11101111"; whenothers=>minseg1<="11111111";endcase;endprocessminute_counter1;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第46頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--分高位顯示minute_counter2:process(min_counter2) begin casemin_counter2is when"0000"=>minseg2<="00111111"; when"0001"=>minseg2<="00000110"; when"0010"=>minseg2<="01011011"; when"0011"=>minseg2<="01001111"; when"0100"=>minseg2<="01100110"; when"0101"=>minseg2<="01101101"; whenothers=>minseg2<="01111111";endcase;endprocessminute_counter2;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第47頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--小時低位顯示hor_counter1:process(hour_counter1) begin casehour_counter1is when"0000"=>hourseg1<="10111111"; when"0001"=>hourseg1<="10000110"; when"0010"=>hourseg1<="11011011"; when"0011"=>hourseg1<="11001111"; when"0100"=>hourseg1<="11100110"; when"0101"=>hourseg1<="11101101"; when"0110"=>hourseg1<="11111101"; when"0111"=>hourseg1<="10000111"; when"1000"=>hourseg1<="11111111"; when"1001"=>hourseg1<="11101111"; whenothers=>hourseg1<="11111111";endcase;endprocess;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第48頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六--小時高位顯示

hor_counter2:process(hour_counter2) begin casehour_counter2is when"0000"=>hourseg2<="00111111"; when"0001"=>hourseg2<="00000110"; when"0010"=>hourseg2<="01011011"; whenothers=>hourseg2<="01111111";endcase;endprocess;endBehavioral;數(shù)字時鐘設(shè)計-主程序第十一章●第49頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六LIBRARYieee;USEieee.std_logic_1164.ALL;USEieee.std_logic_unsigned.all;USEieee.numeric_std.ALL;ENTITYtest_clock_vhdISENDtest_clock_vhd;ARCHITECTUREbehaviorOFtest_clock_vhdIS --ComponentDeclarationfortheUnitUnderTest(UUT) COMPONENTclock PORT( clk:INstd_logic; rst:INstd_logic; inc_min:INstd_logic; sub_min:INstd_logic; inc_hour:INstd_logic; sub_hour:INstd_logic; sel:OUTstd_logic_vector(2downto0); q:OUTstd_logic_vector(7downto0) ); ENDCOMPONENT;數(shù)字時鐘設(shè)