基于FPGA的數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)

摘要：采用FPGA進(jìn)行的數(shù)字電路設(shè)計(jì)具有更大的靈活性和通用性，已成為目前數(shù)字電路設(shè)計(jì)的主流方法之一。本文給出一種基于FPGA的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案。該方案采用VHDL設(shè)計(jì)底層模塊，采用電路原理圖設(shè)計(jì)頂層系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)在QuartusⅡ開發(fā)平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)、編譯和仿真，并在FPGA硬件實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

EDA(Electronic Design Automation)又名電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，其基本特征是：以超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，如FPGA，為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語言，如VHDL，為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)模可編程邏輯器件的開發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，完成電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用EDA進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：1)用軟件方式設(shè)計(jì)硬件;2)用軟件方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)開發(fā)軟件自動(dòng)完成的;3)設(shè)計(jì)過程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真;4)系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)編程，在線升級(jí);5)整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低、可靠性高;6)設(shè)計(jì)的移植性好、效率高;7)適合分工設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作。因此，EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方案

本文以FPGA平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用VHDL語言在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)開發(fā)多功能數(shù)字鐘，具有計(jì)時(shí)、校時(shí)、蜂鳴鬧鈴的功能，具體功能為：1)能夠?qū)γ?、分、小時(shí)進(jìn)行正常計(jì)時(shí)，每日按24小時(shí)計(jì)時(shí)制，能用八個(gè)七段數(shù)碼管進(jìn)行友好界面的顯示;2)具有復(fù)位功能，可以對(duì)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行清零;3)能夠?qū)﹄娮訒r(shí)鐘進(jìn)行時(shí)分秒設(shè)置，方便在時(shí)鐘跑錯(cuò)時(shí)進(jìn)行校正;4)能夠設(shè)定電子鬧鐘，在指定的時(shí)間驅(qū)動(dòng)蜂鳴器等外設(shè)工作，引起使用者注意;5)電子鐘具有溢出警報(bào)功能，當(dāng)小時(shí)數(shù)超過24時(shí)，用一個(gè)LED小燈進(jìn)行溢出警報(bào)說明，然后從00—00—00開始從新計(jì)時(shí)，此功能可以使電子鐘很方便的擴(kuò)展為萬年歷。

我們采用自頂向下的層次化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其輸入為狀態(tài)選擇信號(hào)(使用一個(gè)2位二進(jìn)制表示選擇，00正常運(yùn)行或顯示鬧鈴信息，01設(shè)置秒，10設(shè)置分，11設(shè)置時(shí))、復(fù)位信號(hào)、鬧鈴開關(guān)(配合狀態(tài)選擇信號(hào)進(jìn)行鬧鈴的設(shè)置)、1 Hz的計(jì)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)和1 kHz的掃描時(shí)鐘信號(hào);輸出為時(shí)、分、秒數(shù)字顯示(這里使用了8個(gè)共陰極的七段數(shù)碼管作為顯示輸出)、鬧鐘蜂鳴、溢出信號(hào)。系統(tǒng)由狀態(tài)選擇模塊、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)校時(shí)模塊、顯示與鬧鈴模塊組成。數(shù)字鐘的系統(tǒng)框圖圖如圖1所示。

2 核心模塊設(shè)計(jì)

2.1 狀態(tài)選擇模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要功能其實(shí)是對(duì)輸入端的匯總，然后根據(jù)設(shè)置方法對(duì)不同的模塊進(jìn)行使能和參數(shù)傳遞，輸出不同的信令signaling控制到各個(gè)模塊，使每個(gè)模塊工作在一個(gè)有序的狀態(tài)。狀態(tài)選擇模塊的電路描述如圖2所示，具體說明如下：當(dāng)輸入一個(gè)脈沖到復(fù)位鍵reset時(shí)，數(shù)字鐘啟動(dòng)并對(duì)時(shí)間清零。鬧鈴鍵clock=0時(shí)，模塊根據(jù)狀態(tài)選擇鍵IS_SET輸出不同秒、分、時(shí)信令到秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)校時(shí)模塊，控制這些模塊的運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，當(dāng)IS_SET=00時(shí)為正常計(jì)時(shí)狀態(tài)，秒、分、時(shí)的輸出信令均為80;IS_SET=01時(shí)為秒校時(shí)狀態(tài)，輸出秒信令S_signaling為時(shí)間輸入Time(顯然該輸出小于60)，而輸出分信令M_signaling和時(shí)信令H_signaling均為100，表示暫停分、時(shí)計(jì)時(shí);IS_SET=10和11時(shí)則分別為分和時(shí)的校時(shí)狀態(tài)。鬧鈴鍵clock=1時(shí)，當(dāng)IS_SET=10和11時(shí)分別設(shè)置鬧鈴的分、時(shí)為時(shí)間輸入Time并將設(shè)置的鬧鈴時(shí)間輸出到“顯示與鬧鈴模塊”中保存;當(dāng)IS_SET=00時(shí)，輸出out_clock=1，控制顯示與鬧鈴模塊顯示設(shè)置的鬧鈴時(shí)間。注意，當(dāng)鬧鈴鍵clock=1時(shí)，計(jì)時(shí)正常運(yùn)行，不論IS_SET如何設(shè)置，秒、分、時(shí)的輸出信令均為80。

2.2 計(jì)時(shí)校時(shí)模塊設(shè)計(jì)

該模塊用于時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)校時(shí)，根據(jù)狀態(tài)選擇模塊傳輸過來的信令signaling分別進(jìn)行計(jì)時(shí)和校時(shí)。時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)校時(shí)模塊是一樣的，只是分秒的進(jìn)位為60，而小時(shí)的進(jìn)位為24。我們?cè)趯?shí)體聲明中的使用generic變量定義一個(gè)numn，該值設(shè)置進(jìn)制為60或24，通過修改numn值就完成分、秒計(jì)時(shí)模塊到小時(shí)計(jì)時(shí)模塊的轉(zhuǎn)換。模塊的輸入為掃描時(shí)鐘、計(jì)時(shí)時(shí)鐘和信令signaling，輸出為輸出時(shí)間高位time_h和輸出時(shí)間低位time_l，以及進(jìn)位clk_jin。

計(jì)時(shí)校時(shí)模塊的電路描述如圖3所示，具體說明如下：每當(dāng)掃描時(shí)鐘上升沿時(shí)，啟動(dòng)進(jìn)程，并根據(jù)信令signaling執(zhí)行不同操作，1)當(dāng)signaling

2.3 顯示、鬧鈴模塊設(shè)計(jì)

本模塊是數(shù)字鐘系統(tǒng)中的輸出模塊，用于輸出LED數(shù)字顯示和鬧鈴，其輸入為掃描時(shí)鐘，從計(jì)時(shí)校時(shí)模塊輸出的秒低位、秒高位、分低位、分高位、時(shí)低位、時(shí)高位信號(hào)和狀態(tài)選擇模塊輸出的鬧鈴顯示Nao_En鬧鈴時(shí)間Nan_In。如果Nao_En=0則正常顯示時(shí)間，當(dāng)Nao_En=1時(shí)，在LED數(shù)碼管上顯示鬧鐘時(shí)間。當(dāng)當(dāng)前時(shí)間與保存的鬧鈴時(shí)間Nan_In相同時(shí)，蜂鳴器鳴響1 min。這里我們使用了八個(gè)共陰極的七段數(shù)碼管顯示時(shí)間，當(dāng)選位信號(hào)sel=“01111111”時(shí)，第一個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)字，其他七位不顯示。我們通過動(dòng)態(tài)掃描，輪流顯示秒低位sec_ge、秒高位sec_shi、分低位min_ge、分高位min_shi、時(shí)低位hour_ge、時(shí)高位hour_shi共6路信號(hào)，當(dāng)掃描時(shí)鐘sanc_clk頻率高于28 Hz時(shí)，由于人眼的視覺殘留效果，使得這6路信號(hào)看上去是同時(shí)顯示在6個(gè)七段數(shù)碼管上。顯示、鬧鈴模塊電路描述如圖4所示。

3 結(jié)束語

在QuartusⅡ軟件開發(fā)平臺(tái)上，采用“自頂向下設(shè)計(jì)，自底向上實(shí)現(xiàn)”的方法完成了數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其基本過程如下：1)完成數(shù)字鐘的總體設(shè)計(jì);2)完成各個(gè)底層模塊的設(shè)計(jì)和波形仿真：底層模塊采用VHDL語言編寫，在編譯和仿真成功后，對(duì)其進(jìn)行封裝;3)完成數(shù)字鐘的頂層電路設(shè)計(jì)：根據(jù)數(shù)字鐘的系統(tǒng)框圖(圖1)在QuartusⅡ中采用電路原理圖方式，調(diào)用封裝好的底層模塊，完成頂層電路圖的設(shè)計(jì);4)對(duì)頂層電路進(jìn)行編譯和仿真，結(jié)果表明仿真波形符合設(shè)計(jì)要求;5)進(jìn)行引腳分配，再編譯后，將下載文件下載到FPGA開發(fā)板中進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試。測(cè)試結(jié)果表明數(shù)碼管能正確的顯示計(jì)時(shí)時(shí)間，能通過按鍵調(diào)整時(shí)間，能實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)，完全符合設(shè)計(jì)要求。