秒表電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目5StopwatchCircuitDesign學(xué)習(xí)目標(biāo)Learninggoal01GRADUATIONTHESIS課程導(dǎo)引CourseGuide應(yīng)用場(chǎng)景Application02任務(wù)描述Taskdescription03任務(wù)實(shí)施Implementation04問(wèn)題探究Qexploration05鞏固練習(xí)Practice06挑戰(zhàn)進(jìn)階Advanced073學(xué)習(xí)目標(biāo)LearninggoalC掌握共陰極數(shù)碼管和共陽(yáng)極數(shù)碼管的電路原理目標(biāo)1掌握數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理目標(biāo)3掌握利用JTAG接口編程串行配置器件的方法（掉電后配置不丟失）目標(biāo)4掌握用移位寄存器實(shí)現(xiàn)按鍵消抖的原理和程序設(shè)計(jì)目標(biāo)24應(yīng)用場(chǎng)景Application跑馬燈系統(tǒng)秒表是作為一種專用精確計(jì)時(shí)工具，具備開啟、停止和重置的功能，廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)比賽、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、個(gè)人訓(xùn)練和工業(yè)生產(chǎn)等。其基本功能有：計(jì)時(shí)顯示復(fù)位重啟多組數(shù)據(jù)保存5任務(wù)描述Taskdescription本項(xiàng)目要求使用FPGA控制兩個(gè)數(shù)碼管，顯示00-99秒的計(jì)時(shí)，任務(wù)要求如下：任務(wù)要求1設(shè)置兩個(gè)按鍵，一個(gè)復(fù)位，另一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的開始、暫停和清零三種模式的切換；任務(wù)要求2FPGA開發(fā)板上電后，兩個(gè)數(shù)碼管顯示“00”；任務(wù)要求4第三次按下按鍵，秒計(jì)時(shí)清零，數(shù)碼管顯示“00”；第四次開始每次按下按鍵，重復(fù)（3）-（5）的過(guò)程；任務(wù)要求3第一次按下按鍵，啟動(dòng)秒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示在“00”到“99”循環(huán)秒計(jì)時(shí)；第二次按下按鍵，秒計(jì)時(shí)暫停；任務(wù)要求5復(fù)位鍵按下后，數(shù)碼管回到任務(wù)（2）狀態(tài)。6任務(wù)實(shí)施TaskImplementation1.本項(xiàng)目使用的軟硬件資源與電路原理開發(fā)平臺(tái)：QuartusPrime硬件描述語(yǔ)言：VerilogHDLFPGA芯片：采用AlteraCycloneIVE系列的EP4CE6E22C8，有6000多個(gè)邏輯單元和92個(gè)可用IO口。開發(fā)板資源：采用IntelEP4CE6開發(fā)板，5V直流電為FPGA等元件提供所需的各種電壓，并可向外輸出5V、3.3V電壓；配有EPCS4配置芯片、JTAG下載端口和50MHz有源晶振，F(xiàn)PGA所有引腳均通過(guò)2.54mm標(biāo)準(zhǔn)排針引出。7任務(wù)實(shí)施TaskImplementation開發(fā)板上共有8個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管，由兩個(gè)四位一體的數(shù)碼管構(gòu)成。采用PNP三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)并且控制數(shù)碼管選通點(diǎn)亮，數(shù)碼管段碼共用8段控制信號(hào)，100歐電阻是限流保護(hù)電阻。在本項(xiàng)目中只使用了兩位數(shù)碼管，對(duì)應(yīng)于途中LED7和LED8位驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)數(shù)碼管。8任務(wù)實(shí)施TaskImplementationFPGA板載4個(gè)用戶按鍵輸入，每個(gè)按鍵都是直接連接FPGA芯片上一個(gè)引腳，當(dāng)有按鍵按下對(duì)應(yīng)的引腳為邏輯低電平，否則為高電平，本設(shè)計(jì)使用K1中作為按鍵輸入，對(duì)應(yīng)PIN59引腳。另外，板載1個(gè)復(fù)位控制按鍵，對(duì)應(yīng)rst，沒(méi)有按下為高電平，按下為低電平，F(xiàn)PGA開始復(fù)位。板載4個(gè)用戶按鍵電路原理圖復(fù)位電路9任務(wù)實(shí)施TaskImplementation外部時(shí)鐘clk、復(fù)位信號(hào)rst、數(shù)碼管的八個(gè)段選信號(hào)和兩個(gè)位選信號(hào)、以及一個(gè)按鍵與FPGA芯片的IO連接關(guān)系：數(shù)碼管段選

段選：

A：141低電平點(diǎn)亮B：143C：1D：3E：10F：30G：32DP：34數(shù)碼管位選位選：

LED7：132對(duì)應(yīng)最右側(cè)的兩個(gè)數(shù)碼管，輸出低電平選中相應(yīng)的數(shù)碼管LED8：128外部時(shí)鐘clk2350MHz復(fù)位rst88低電平復(fù)位按鍵key59按鍵按下為低電平10任務(wù)實(shí)施TaskImplementation2.數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示其優(yōu)點(diǎn)是占用硬件資源少，功耗小，但軟件工作量大。動(dòng)態(tài)掃描顯示就是逐位輪流點(diǎn)亮：通過(guò)位選信號(hào)選擇當(dāng)前需要顯示的“位”，字形碼僅對(duì)位選被選中的數(shù)碼管有效。段選信號(hào)（字形碼）輸出，用于驅(qū)動(dòng)被選中的位顯示相應(yīng)數(shù)字。循環(huán)步驟1-2，實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。實(shí)現(xiàn)逐位掃描，動(dòng)態(tài)顯示。（每只數(shù)碼管點(diǎn)亮的間隔不要超過(guò)20ms）。如顯示器的位數(shù)不大于8位，位選端只需要一個(gè)8位I/O口進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，而段選端也只需一個(gè)8位I/O。位選信號(hào)段選信號(hào)分頻技術(shù)-1秒時(shí)鐘信號(hào)生成狀態(tài)控制-啟動(dòng)/暫停/清零切換按鍵處理-消抖與負(fù)脈沖輸出顯示驅(qū)動(dòng)-雙數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理，產(chǎn)生精確的1Hz基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)采用觸發(fā)器或者延時(shí)判斷實(shí)現(xiàn)消抖，輸出穩(wěn)定負(fù)脈沖信號(hào)通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)秒計(jì)時(shí)在啟動(dòng)、暫停和清零三種功能之間切換利用人眼視覺暫留效應(yīng)，分時(shí)復(fù)用驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)數(shù)值，每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮的時(shí)間在10ms左右3.技術(shù)分析任務(wù)實(shí)施TaskImplementation12任務(wù)實(shí)施TaskImplementation4.設(shè)計(jì)框架跑馬燈電路頂層符號(hào)跑馬燈硬件設(shè)計(jì)框圖主要模塊：（1）分頻器模塊：得到頻率為1Hz的時(shí)鐘信號(hào)；（2）按鍵消抖模塊：通過(guò)消抖模塊得到一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)脈沖信號(hào)；（3）功能切換模塊：秒計(jì)時(shí)在啟動(dòng)、暫停和清的切換；（4）數(shù)碼管顯示譯碼模塊：兩位數(shù)碼管。13任務(wù)實(shí)施TaskImplementation5.技術(shù)設(shè)計(jì)5.1分頻器模塊設(shè)計(jì)分頻器設(shè)計(jì)電路符號(hào)通過(guò)對(duì)外部輸入50MHz的clk進(jìn)行分頻，得到一個(gè)周期為1秒的clk_1s信號(hào)，參考代碼如下：modulediv_1Hz(clk,rst,clk_1s);inputclk,rst;outputclk_1s;reg[30:0]count_1s;always@(posedgeclkornegedgerst)beginif(!rst)count_1s=0;elseif(count_1s==24999999)begincount_1s<=0;clk_1s<=~clk_1s;endelsecount_1s<=count_1s+1'b1;endendmodule14任務(wù)實(shí)施TaskImplementation5.2按鍵消抖模塊設(shè)計(jì)按鍵消抖原理圖按鍵消抖模塊符號(hào)消抖電路：3個(gè)輸入端和1個(gè)輸出端，其中clk為50MHz的外部時(shí)鐘，rst為復(fù)位信號(hào)，key為按鍵信號(hào)，outp為消抖后的輸出。消抖原理：抖動(dòng)一般在5ms左右，輸入的cclk時(shí)鐘信號(hào)必須足夠低，一般可選190Hz，經(jīng)過(guò)三個(gè)周期結(jié)束之前即可以消除抖動(dòng)，在輸出端outp得到穩(wěn)定的負(fù)脈沖信號(hào)。key按下后為低電平，經(jīng)過(guò)消抖后可在輸出端outp得到一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)脈沖信號(hào)，通過(guò)識(shí)別outp的下降沿，判斷按鍵key按下。常用消抖電路：計(jì)數(shù)器型消抖電路D觸發(fā)器型消抖電路狀態(tài)機(jī)型消抖電路其它方法15任務(wù)實(shí)施TaskImplementation5.2按鍵消抖模塊設(shè)計(jì)modulexiaodou(clk,rst,key,outp);

inputclk,rst,key;outputoutp;wireoutp;

wireclkk;reg[17:0]q;always@(posedgeclk)beginq<=q+1;endassignclkk=q[17]; //產(chǎn)生消抖時(shí)鐘clkkregdelay1;regdelay2;regdelay3;always@(posedgeclkkornegedgerst)

//用移位寄存器實(shí)現(xiàn)消抖beginif(!rst)begindelay1<=1'b0;delay2<=1'b0;delay3<=1'b0;endelsebegindelay1<=~key;delay2<=delay1;delay3<=delay2;endendassignoutp=~(delay1&delay2&delay3);//通過(guò)連續(xù)賦值獲取消抖后的輸出endmodule16任務(wù)實(shí)施TaskImplementation5.3功能切換模塊設(shè)計(jì)按鍵消抖模塊符號(hào)clk_1s：分頻器模塊的輸出1Hz信號(hào)，outp：按鍵消抖模塊的輸出，rst：復(fù)位信號(hào)count：本模塊的秒計(jì)時(shí)輸出，取值00~99。實(shí)現(xiàn)功能的切換啟動(dòng)模式：當(dāng)mode=1時(shí)，通過(guò)1Hz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)count遞增,[0,99]暫停模式：mode=2時(shí)切斷時(shí)鐘輸入，保持當(dāng)前計(jì)數(shù)值不變清零模式：mode=0觸發(fā)時(shí)直接重置count為0并返回等待狀態(tài)程序結(jié)構(gòu)：1個(gè)always語(yǔ)句塊用于改變模式變量1個(gè)always語(yǔ)句塊通過(guò)模式變量切換功能17任務(wù)實(shí)施TaskImplementationmodulemode_switch(outp,rst,clk_1s,count);inputoutp,rst,clk_1s;output[7:0]count;reg[7:0]count;reg[1:0]mode=2'b00;//控制秒表模式//識(shí)別按鍵，切換mode的值always@(negedgeoutpornegedgerst)beginif(!rst)mode=1;//復(fù)位時(shí)，mode為1，即啟動(dòng)秒計(jì)時(shí)elseif(mode<3)mode=mode+1;else mode=1;endalways@(posedgeclk_1s)begincase(mode)2'b01:beginif(count==99)count<=0;elsecount<=count+1’b1;end//秒計(jì)時(shí)啟動(dòng)2'b10:begincount<=count;end//秒計(jì)時(shí)暫停2'b11:begincount<=0;end//秒計(jì)時(shí)清零endcaseendendmodule18任務(wù)實(shí)施TaskImplementation5.4數(shù)碼管顯示譯碼模塊設(shè)計(jì)按鍵消抖模塊符號(hào)clk：外部時(shí)鐘信號(hào)，rst：復(fù)位信號(hào)count：功能切換模塊的秒計(jì)時(shí)shi_wei：十位位選控制信號(hào)，低電平選中g(shù)e_wei：個(gè)位位選控制信號(hào)，低電平選中seg[7:0]：數(shù)碼管的段碼控制信號(hào)，8位

19任務(wù)實(shí)施TaskImplementationmoduledecode(clk,rst,count,shi_wei,ge_wei,seg);inputclk,rst;input[7:0]count;outputshi_wei,ge_wei;output[7:0]seg;regshi_wei,ge_wei;reg[7:0]seg;reg[3:0]data;//要譯碼的數(shù)字:0-9//位控制計(jì)數(shù)器cnt20ms，一次溢出的時(shí)間近似20msreg[19:0]cnt20ms;always@(posedgeclkornegedgerst)beginif(!rst)cnt20ms=0;elsecnt20ms<=cnt20ms+1;end//數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描，輪流選中個(gè)位和十位數(shù)碼管并顯示alwaysbegincase(cnt20ms[19])1'b0:beginshi_wei=1;ge_wei=0;data[3:0]<=count/10;end//1'b1:beginshi_wei=0;ge_wei=1;data[3:0]<=count%10;end//default:beginshi_wei=‘bx;ge_wei=‘bx;data[3:0]<='bx;endendcaseend20任務(wù)實(shí)施TaskImplementation//完成共陽(yáng)數(shù)碼管的譯碼alwaysbegincase(data[3:0])4'b0000:seg[7:0]<=~8'b11111100;4'b0001:seg[7:0]<=~8'b01100000;4'b0010:seg[7:0]<=~8'b11011010;4'b0011:seg[7:0]<=~8'b11110010;4'b0100:seg[7:0]<=~8'b01100110;4'b0101:seg[7:0]<=~8'b10110110;4'b0110:seg[7:0]<=~8'b10111110;4'b0111:seg[7:0]<=~8'b11100000;

4'b1000:seg[7:0]<=~8'b11111110;4'b1001:seg[7:0]<=~8'b11110110;4'b1010:seg[7:0]<=~8'b11101110;4'b1011:seg[7:0]<=~8'b00111110;4'b1100:seg[7:0]<=~8'b10011100;4'b1101:seg[7:0]<=~8'b01111010;4'b1110:seg[7:0]<=~8'b10011110;4'b1111:seg[7:0]<=~8'b10001110;default:seg[7:0]<='bx;endcaseendendmodule21任務(wù)實(shí)施TaskImplementation5.5模塊整合秒表電路設(shè)計(jì)框圖modulemiaobiao(clk,rst,key,shi_wei,ge_wei,seg);inputclk,rst,key;output[7:0]seg;outputshi_wei,ge_wei;wireclk_1s;wireoutp;wire[7:0]count;

//調(diào)用分頻器模塊div_1Hzx0(clk,rst,clk_1s);//調(diào)用按鍵消抖模塊xiaodoux1(clk,rst,key,outp);

//調(diào)用功能切換模塊mode_switchx2(outp,rst,clk_1s,count);//調(diào)用數(shù)碼管顯示譯碼模塊decodex3(clk,rst,count,shi_wei,ge_wei,seg);endmodule22任務(wù)實(shí)施TaskImplementation5.6板級(jí)驗(yàn)證板級(jí)驗(yàn)證的流程：1.創(chuàng)建項(xiàng)目并輸入設(shè)計(jì)文件：按照新建項(xiàng)目的向?qū)Р襟E，選定路徑，創(chuàng)建秒表電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目miaobiao；分別創(chuàng)建秒表電路設(shè)計(jì)的頂層模塊miaobiao.v、分頻器模塊div_1Hz.v、按鍵消抖模塊xiaodou.v、功能切換模塊mode_switch.v和數(shù)碼管顯示譯碼模塊decode.v，并輸入代碼并保存；23任務(wù)實(shí)施TaskImplementation2.設(shè)計(jì)處理，設(shè)計(jì)處理：將miaobiao.v文件設(shè)為頂層進(jìn)行編譯處理24任務(wù)實(shí)施TaskImplementation3.引腳約束，根據(jù)項(xiàng)目需求，對(duì)兩個(gè)數(shù)碼管的位選控制信號(hào)shi_wei和ge_wei、數(shù)碼管的段碼控制信號(hào)seg、一個(gè)按鍵輸入key、時(shí)鐘輸入clk以及復(fù)位信號(hào)rst進(jìn)行引腳約束，約束關(guān)系見圖書5-1。約束完成后重新編譯。25任務(wù)實(shí)施TaskImplementation4.器件編程，將開發(fā)板通過(guò)USB-Blaster連接至電腦，利用JTAG接口編程串行配置器件（掉電后配置不丟失）。在File菜單下拉菜單中選擇convert/programmingfiles，在彈出對(duì)話框選擇生成文件類型為“JTAGIndirectConfigurationFile(.jic)”和存儲(chǔ)配置芯片型號(hào)“EPCS4”，