桂林電子科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院FPG姮用實(shí)訓(xùn)報(bào)告數(shù)字鐘學(xué)院（系）： 電子信息工程系專業(yè)： 電子信息工程技術(shù)學(xué)號(hào)：17學(xué)生姓名：李建軍指導(dǎo)教師：葉俊明數(shù)字鐘是由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器等幾部分組成。振蕩電路：主要用來(lái)產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因?yàn)闀r(shí)鐘的精度主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及穩(wěn)定度，所以采用石英晶體振蕩器。分頻器：因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率很高，要是要得到“秒”信號(hào)，需一定級(jí)數(shù)的分頻器進(jìn)行分頻。計(jì)數(shù)器：有了“秒”信號(hào)，則可以根據(jù)60秒為1分，24小時(shí)為1天的制，分別設(shè)定“時(shí)”、“分”、“秒”的計(jì)數(shù)器，分別為60進(jìn)制，60進(jìn)制,24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并輸出一分，一小時(shí)，一天的進(jìn)位信號(hào)。譯碼顯示：將“時(shí)”“分”“秒”顯示出來(lái)。將計(jì)數(shù)器輸入狀態(tài)，輸入到譯碼器，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器信號(hào)，呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的進(jìn)位數(shù)字字型。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路可以對(duì)分和時(shí)進(jìn)行校時(shí)。另外，計(jì)時(shí)過(guò)程要具有報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間到達(dá)整點(diǎn)時(shí)開(kāi)始響，蜂鳴器不停地響1分鐘后不響。關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘，振蕩，計(jì)數(shù)，校正，報(bào)時(shí)1緒論數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分、秒，數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，廣泛用于個(gè)人家庭，車站，碼頭、辦公室等公共場(chǎng)所，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?，由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英振蕩器的廣泛應(yīng)用，使得數(shù)字鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大地方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、校時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定是廣播、自動(dòng)啟閉路燈、定時(shí)開(kāi)關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備，甚至各種定時(shí)電氣的自動(dòng)啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。伴隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)逐漸成為數(shù)字電路設(shè)計(jì)的重要手段?；贔PGA勺EDA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大與深入，使得EDAft術(shù)在電子信息，通信，自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的重要性日益突出。本設(shè)計(jì)給出了一種基于FPGA勺多功能數(shù)字鐘方法，測(cè)試結(jié)果表明本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多功能的數(shù)字鐘功能，具有時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)顯示功能，以24小時(shí)循環(huán)計(jì)時(shí)；具有校正小時(shí)和分鐘的功能；以及清零，整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。2課題背景數(shù)字化的鐘表給人們帶來(lái)了極大的方便。近些年，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)數(shù)字鐘的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的時(shí)鐘已不能滿足人們的需求。多功能數(shù)字鐘不管在性能還是在樣式上都發(fā)生了質(zhì)的變化，有電子鬧鐘、數(shù)字鬧鐘等等。利用ED儆術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法;用軟件的形式設(shè)計(jì)硬件 ;用軟件的方式設(shè)計(jì)過(guò)程中可用相關(guān)軟件進(jìn)行仿真;系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)編程 ,在線升級(jí);整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,體積小,功耗低,可靠性高.因此,EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) .??用硬件描述語(yǔ)言結(jié)合 FPGA可編程器件可以極大地方便集成電路的設(shè)計(jì)，使其成為集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，也是每一個(gè)電子工程師必須掌握的技術(shù)，故基于FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)成為高校電類專業(yè)學(xué)生的必修且重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（1）設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字時(shí)鐘（24小時(shí)顯示模式）（2）到點(diǎn)報(bào)時(shí)、鬧鐘時(shí)間固定為8：00（3）同時(shí)設(shè)置按鍵調(diào)時(shí)。設(shè)計(jì)目的為了更好的運(yùn)用掌握FPG解功能數(shù)字鐘編程知識(shí)，學(xué)會(huì)自我找到問(wèn)題、分析問(wèn)題并解決問(wèn)題的方法，培養(yǎng)認(rèn)真學(xué)習(xí)和工作的作風(fēng)，鍛煉自己的思考能力和團(tuán)結(jié)合作能力。充分發(fā)揮思維創(chuàng)造性，開(kāi)發(fā)功能多樣的擴(kuò)展功能電路并鍛煉自己的動(dòng)手能力?？傮w設(shè)計(jì)方案1）方案一用數(shù)電制作一個(gè)數(shù)字鐘，通過(guò) 74L74芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管計(jì)數(shù)功能用與非門結(jié)合，用按鍵來(lái)設(shè)置實(shí)現(xiàn)鬧鐘和整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能。(2)方案二 用fpga來(lái)制作一個(gè)數(shù)字鐘，通過(guò)編寫程序來(lái)控制fpga芯片輸出輸入來(lái)得到數(shù)字鐘的功能，同時(shí)用fpga板來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。(3)方案三 用單片機(jī)來(lái)控制數(shù)字鐘，通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘計(jì)時(shí)功能，通過(guò)單片機(jī)試驗(yàn)箱來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能，最終達(dá)到相應(yīng)的結(jié)果?？偨Y(jié)：方案一用數(shù)電的方式做數(shù)字鐘，用的芯片多同時(shí)之制作麻煩，不適合制做數(shù)字鐘。方案二制作比較便捷，只需要寫程序，制作業(yè)是比較方便，也比較實(shí)現(xiàn)功能。方案三用單片機(jī)雖然也是編寫程序，可是和 FPGN目比我個(gè)人覺(jué)得還是比單片機(jī)好做一點(diǎn)。綜合上述我選擇 FPG林制作該程序3程序方案論證分頻方案論證分頻模塊方案 I定義變量并且設(shè)定一個(gè)上限值，每次加計(jì)數(shù)到該上限值時(shí)，輸出該計(jì)數(shù)值的最高位parameterDIV_SIZE=25;always@(posedgeclock)counter=counter+1；assignclkdiv=counter[DIV_SIZE-1];分頻模塊方案 II定義一個(gè)變量，使得 counter_1hz==20000000，使得輸入1hz信號(hào)，讓counter_1hz自加always@(posedgeclk)Beginif(counter_1hz==20000000)begincounter_1hz=0;clk_1hz<=~clk_1hz;endelsecounter_1hz=counter_1hz+1;if(counter>=10000)begincounter<=0;clk_1khz<=~clk_1khz;endelsebegincounter<=counter+1;End計(jì)時(shí)模塊方案論證計(jì)時(shí)模塊方案I計(jì)時(shí)分每個(gè)信號(hào)的高低位進(jìn)行判斷及計(jì)時(shí)if(sL==9)beginsL<=0;if(sH==5)beginsH<=0;if(mL==9)beginmL<=0;if(mH==5)beginmH<=0;if(hL==9)beginhL<=0;hH<=hH+1;endelseif(hL==3&&hH==2)beginhL<=0;hH<=0;endelsehL<=hL+1;endelsemH<=mH+1;endelsemL<=mL+1;endelsesH<=sH+1;endelsesL<=sL+1;end計(jì)時(shí)模塊方案II用信號(hào)來(lái)判斷if(b==1000)beginb=0;second_l=second_l+1;if(second_l==10)beginsecond_l=0;second_h=second_h+1;endif(second_h==6)beginsecond_h=0;miniute_l=miniute_l+1;endif(miniute_l==10)beginminiute_l=0;miniute_h=miniute_h+1;endif(miniute_h==6)beginminiute_h=0;hour_l=hour_l+1;endif(hour_l==10)beginhour_l=0;hour_h=hour_h+1;endif((hour_l>=4&&hour_h==2)||(hour_h==3))beginhour_h=0;hour_l=0;endendelseb=b+1;end方案總結(jié)分頻采用方案2來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。方案2在思路方面較為通俗易懂，且判斷過(guò)程簡(jiǎn)短明了，在最終的顯示時(shí)出現(xiàn)毛刺干擾現(xiàn)象，其他方案中不便于增加小時(shí)和分鐘的調(diào)節(jié)信號(hào)，方案最終失敗。方案2比較判斷復(fù)雜，在最終的數(shù)碼管顯示時(shí)可能不怎么穩(wěn)定。方案2我們上課時(shí)學(xué)的也是這個(gè)方案用起來(lái)也比較熟悉。 綜合考慮，使用方案2。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件部分有分頻模塊，按鍵防抖動(dòng)，時(shí)鐘主體，鬧鈴模塊，動(dòng)態(tài)掃描模塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)此方案。程序流程圖3-1使用此方案首先進(jìn)行分頻得到一個(gè)信號(hào)，使得信號(hào)穩(wěn)定。進(jìn)而促使時(shí)鐘主體工作。再通過(guò)按鍵防抖來(lái)控制調(diào)時(shí)和鬧鐘模塊最后用動(dòng)態(tài)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件的所有功能。程序流程圖圖3-1計(jì)時(shí)模塊second_l,second_h;miniute_l,miniute_h;hour_l,hour_h;分別表示秒 ,分,小時(shí)的高位和低位 L組成十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。以1hz作為一秒，自加計(jì)時(shí)，當(dāng)秒加到60后自動(dòng)向分進(jìn)位，當(dāng)分加到60后自動(dòng)向時(shí)進(jìn)位，當(dāng)時(shí)到24小時(shí)候變?yōu)?00。鬧鐘模塊always@(posedgeclk)beginif(hour_h==0&&hour_l==8&&miniute_h==0&&miniute_l==0)入/輸出模塊IOB。IOB提供了器件引腳和內(nèi)部邏輯陣列之間的連接。它主要由輸入觸發(fā)器、輸入緩沖器和輸出觸發(fā)/鎖存器、輸出緩沖器組成。?每個(gè)IOB控制一個(gè)引腳，它們可被配置為輸入、輸出或雙向I/O功能。當(dāng)IOB控制的引腳被定義為輸入時(shí)，通過(guò)該引腳的輸入信號(hào)先送入輸入緩沖器。緩沖器的輸出分成兩路：一路可以直接送到 MUX另一品&經(jīng)延？時(shí)幾納秒(或者不延時(shí))送到輸入通路D觸發(fā)器，再送到數(shù)據(jù)選擇器。通過(guò)編程給數(shù)據(jù)選擇器不同的控制信息，確定送至CLBMJ的I1和I2是來(lái)自輸入緩沖器，還是來(lái)自觸發(fā)器。？當(dāng)IOB控制的引腳被定義為輸出時(shí)，CLB陣列的輸出信號(hào)OUT&可以有兩條傳輸途徑：一條是直接經(jīng)MUXf至輸出緩沖器，另一條是先存入輸出通路D觸發(fā)器，再送至輸出緩沖器。IOB輸出端配有兩只MO第，它們的柵極均可編程，使MOST導(dǎo)通或截止，分別J經(jīng)上拉電阻接通 Vcc、地線或者不接通，用以改善輸出波形和負(fù)載能力。?3.可編程互連資源IR?？删幊袒ミB資源IR可以將FPG秋部的CLB和CLB之間、CLB和IOB之間連接起來(lái)，構(gòu)成各種具有復(fù)雜功能的系統(tǒng)。IR主要由許多金屬線段構(gòu)成，這些金屬線段帶有可編程開(kāi)關(guān)，通過(guò)自動(dòng)布線實(shí)現(xiàn)各種電路的連接。原理框圖FPGA勺多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)一個(gè)具有計(jì)時(shí)、報(bào)時(shí)和顯示這三部分的主要功能。系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示。其中計(jì)時(shí)功能是整個(gè)多功能數(shù)字鐘的核心部分；報(bào)時(shí)一一顧名思義，也就是在時(shí)鐘到達(dá)整點(diǎn)時(shí)的鳴叫功能；顯示起到了一個(gè)譯碼功能，使得程序在實(shí)驗(yàn)箱上下載時(shí)我們能清晰、明了的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程。這三部分相結(jié)合，就基本完成了這樣的一個(gè)多功能數(shù)字鐘。圖4-1數(shù)字鐘原理框圖原理框圖功能如下：①首先輸入電源然后進(jìn)入FPGA芯片,來(lái)實(shí)現(xiàn)最基本的數(shù)字鐘計(jì)時(shí)電路，其計(jì)數(shù)輸出送7段譯碼電路，由數(shù)碼管顯示。②PPGAE片工作使得基準(zhǔn)頻率分頻器可分頻出標(biāo)準(zhǔn)的1hz頻率信號(hào)，用于秒計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)；分頻出頻率信號(hào)用于校時(shí)、校分的快速遞增信號(hào)；分頻出頻率信號(hào)用于對(duì)于按動(dòng)校時(shí)、校分按鍵的消除抖動(dòng)。③然后用按鍵控制電路模塊是一個(gè)校時(shí)、校分、秒清零的模式控制模塊，頻率信號(hào)用于鍵的消除抖動(dòng)。而模塊的輸出則是一個(gè)邊沿整齊的輸出信號(hào)。④控制電路模塊是一個(gè)校時(shí)、校分、秒清零的模式控制模塊， 64Hz頻率信號(hào)用于鍵KEY1KEY2KEY3的消除抖動(dòng)。而模塊的輸出則是一個(gè)邊沿整齊的輸出信號(hào)。⑥鬧時(shí)電路模塊也需要音頻信號(hào)以及來(lái)自分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)6調(diào)試調(diào)時(shí)程序調(diào)試原始程序下載時(shí)，數(shù)字鐘能正常顯示，初始化值 7:59分55秒，當(dāng)?shù)?:00時(shí)，蜂鳴器不響沒(méi)有報(bào)時(shí)。按鍵模塊沒(méi)有進(jìn)位設(shè)計(jì)，調(diào)時(shí)位按鍵程序異常顯示。后加入：if((hour_l>=4&&hour_h==2)||(hour_l==10))beginhour_l=0;hour_h=hour_h+1;Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程［第二版］.北京航空航天大學(xué)出版社，【2】康華光等 .電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)［第五版］高等教育出版社，［31羅朝霞等.CPLD/FPGA設(shè)計(jì)及應(yīng)用.北京人民郵電出版社，【4】?jī)|特科技編著 .CPLD/FPGA應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā).北京人民郵電出版社。［51付文紅.花漢兵著.EDA技術(shù)與實(shí)驗(yàn).機(jī)械工業(yè)出版社［61崔建明.電工電子EDA仿真技術(shù)。北京高等教育出版社【7】侯伯亨 .VerilogHDL硬件描述語(yǔ)言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì) .西安電子科技大學(xué)出版附錄moduletest(clk,led_out,seg_bit,led_test,alarm_clock,key,key_1,key_2,key_3,key_4);inputclk;inputkey,key_1,key_2,key_3,key_4;regclk_1hz;regclk_1khz;outputregled_test;outputreg[6:0]led_out;outputreg[3:0]seg_bit;outputregalarm_clock;reg[31:0]counter_clock;reg[20:0]counter;reg[30:0]counter_1hz;reg[7:0]display_tab;reg[7:0]second_l,second_h;reg[7:0]miniute_l,miniute_h;reg[7:0]hour_l,hour_h;reg[1:0]state;parameters0=2'd0,s1=2'd1,s2=2'd2,s3=2'd3;//定時(shí)8:00integerj,b;initialbeginstate=0;counter=0;counter_1hz=0;miniute_l=9;miniute_h=5;second_h=5;second_l=5;hour_h=0;hour_l=7;end//初始化寄存器，初始時(shí)間為7點(diǎn)59分55秒//分頻模塊always@(posedgeclk)beginif(counter_1hz==)begincounter_1hz=0;clk_1hz<=~clk_1hz;endelsecounter_1hz=counter_1hz+1;if(counter>=10000)begincounter<=0;clk_1khz<=~clk_1khz;endelsebegincounter<=counter+1;end//時(shí)鐘分頻模塊case(display_tab)//數(shù)碼管顯示表0:led_out=7'b100_0000;1:led_out=7'b111_1001;2:led_out=7'b010_0100;3:led_out=7'b011_0000;4:led_out=7'b001_1001;5:led_out=7'b001_0010;6:led_out=7'b000_0010;7:led_out=7'b111_1000;8:led_out=7'b000_0000;9:led_out=7'b001_0000;default:led_out=7'bz;endcaseendalways@(posedgeclk_1khz)beginif(!key_1)j=j+1;//按鍵防抖，按鍵調(diào)時(shí)模塊。if((j==200)&&(!key_1))beginj=0;miniute_l=miniute_l+1;if(miniute_l==10)beginminiute_l=0;miniute_h=miniute_h+1;endendif(!key_2)j=j+1;if((j==200)&&(!key_2))beginj=0;miniute_h=miniute_h+1;if(miniute_h==6)beginminiute_h=0;hour_l=hour_l+1;endendif(!key_3)j=j+1;if((j==200)&&(!key_3))beginj=0;hour_l=hour_l+1;if((hour_l>=4&&hour_h==2)||(hour_l==10))beginhour_l=0;hour_h=hour_h+1;if(hour_h==3)hour_h=0;endendif(!key_4)j=j+1;if((j==200)&&(!key_4))beginj=0;hour_h=hour_h+1;if(hour_h==3)hour_h=0;endif(b==1000)//時(shí)鐘主體，計(jì)時(shí)模塊。beginb=0;second_l=second_l+1;if(second_l==10)beginsecond_l=0;second_h=second_h+1;endif(second_h==6)beginsecond_h=0;miniute_l=miniute_l+1;endif(miniute_l==10)beginminiute_l=0;miniute_h=miniute_h+1;endif(miniute_h==6)beginminiute