基于FPGA的多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

摘要：文中簡(jiǎn)要介紹了一種基于FPGA的多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案。在實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)、校時(shí)和整點(diǎn)報(bào)時(shí)等基本功能的基礎(chǔ)上增加世界時(shí)鐘功能，能夠?qū)⒈本r(shí)間快速轉(zhuǎn)換為格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。該方案采用VHDL和原理圖相結(jié)合的設(shè)計(jì)輸入方式，在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下完成設(shè)計(jì)、編譯和仿真，并在FPGA硬件開發(fā)板上進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，對(duì)FPGA的應(yīng)用和數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：FPGA；VHDL；數(shù)字鐘；世界時(shí)鐘；QuartusⅡ

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGA)是一種可編程使用的信號(hào)處理器件。通過改變配置信息，用戶可對(duì)其功能進(jìn)行定義，以滿足設(shè)計(jì)需求。通過開發(fā)，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)任何數(shù)字器件的功能。與傳統(tǒng)數(shù)字電路相比，F(xiàn)PGA具有可編程、高集成度、高可靠性和高速等優(yōu)點(diǎn)。

1 數(shù)字鐘總體設(shè)計(jì)
本文以FPGA平臺(tái)為基礎(chǔ)，在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)開發(fā)多功能數(shù)字鐘。數(shù)字鐘實(shí)現(xiàn)的功能如下：
1)計(jì)時(shí)功能：進(jìn)行正常的時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)，并由6只8段數(shù)碼管分別顯示時(shí)、分、秒時(shí)間。
2)校時(shí)功能：當(dāng)時(shí)校時(shí)按鍵按下時(shí)，計(jì)時(shí)器時(shí)位迅速增加，并按24小時(shí)循環(huán)；當(dāng)分校時(shí)按鍵按下時(shí)，計(jì)時(shí)器分位迅速增加，并按60分循環(huán)。
3)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能：當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá)59分53秒時(shí)開始報(bào)時(shí)，在59分53秒、55秒、57秒蜂鳴聲頻率為512 Hz；到達(dá)59分59秒為最后一聲報(bào)時(shí)，蜂鳴聲頻率為1 kHz。
4)世界時(shí)鐘功能：默認(rèn)當(dāng)前顯示時(shí)間為北京時(shí)間(GMT+8)，當(dāng)按下世界時(shí)按鍵時(shí)，顯示時(shí)間將轉(zhuǎn)換為格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(GMT)。數(shù)字鐘電路的模塊框圖，如圖1所示。

2 功能模塊的工作原理及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)主要由6大模塊組成，即分頻模塊、計(jì)時(shí)模塊、校時(shí)模塊、譯碼顯示模塊、整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊和世界時(shí)鐘模塊。
2．1 分頻模塊的工作原理及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)選用的FPGA開發(fā)板板載20 MHz有源晶振，為了得到占空比50％的1 Hz時(shí)基脈沖及2 kHz方波信號(hào)(用于驅(qū)動(dòng)譯碼顯示模塊以及為整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊提供不同頻率的信號(hào)以產(chǎn)生不同音調(diào)的聲音)，需要對(duì)板載時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻。分頻模塊采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，對(duì)20 MHz時(shí)鐘信號(hào)分別進(jìn)行兩千萬和一萬分頻。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

2．2 計(jì)時(shí)模塊和校時(shí)模塊的工作原理及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
計(jì)時(shí)模塊由60進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器、60進(jìn)制分計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，采用同步時(shí)序電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)計(jì)數(shù)器處于正常計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，3個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)均為1Hz時(shí)基脈沖，秒計(jì)數(shù)器對(duì)1 Hz的時(shí)基脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其進(jìn)位輸出信號(hào)cos_in作為分計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，而分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出信號(hào)com_in又作為時(shí)計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)。在計(jì)時(shí)模塊的基礎(chǔ)上，數(shù)字鐘通過增加兩個(gè)按鍵分別實(shí)現(xiàn)對(duì)小時(shí)和分鐘的調(diào)整。這兩個(gè)按鍵能夠產(chǎn)生時(shí)計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器的另一路使能信號(hào)，即按下時(shí)校時(shí)按鍵時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器使能信號(hào)持續(xù)有效，由于采用同步時(shí)序電路，時(shí)計(jì)數(shù)器能夠持續(xù)增加，達(dá)到調(diào)整時(shí)間的目的。按下分校時(shí)按鍵時(shí)原理相同。此外，校時(shí)模塊還對(duì)校時(shí)按鍵進(jìn)行防抖動(dòng)處理，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。