數(shù)字萬年歷設計

• 普通列表項目任務：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成數(shù)字萬年歷設計并觀察調(diào)試結果
• 普通列表項目要求：驅(qū)動底板上的實時時鐘芯片DS1340Z獲取時間信息（年、月、日、周、時、分、秒），顯示在8位數(shù)碼管上，分兩頁顯示，第一頁顯示年月日周信息，第二頁顯示時分秒信息，通過旋轉編碼器調(diào)節(jié)數(shù)字萬年歷和控制顯示，具體控制如下：
• 萬年歷有8個狀態(tài)（常態(tài)、調(diào)年、調(diào)月、調(diào)日、調(diào)周、調(diào)時、調(diào)分、調(diào)秒）
• 按動旋轉編碼器在8個狀態(tài)中依次循環(huán)切換
• 常態(tài)下，轉動編碼器切換顯示頁，逆時針轉顯示第一頁，順時針轉顯示第二頁
• 調(diào)節(jié)狀態(tài)下，旋轉調(diào)節(jié)時間，逆時針轉減，順時針轉加
• 調(diào)節(jié)狀態(tài)下，顯示被調(diào)節(jié)選項所在頁，同時被調(diào)節(jié)選項閃爍顯示
• 普通列表項目解析：通過FPGA編程驅(qū)動實時時鐘芯片DS1340Z，實現(xiàn)時間寫入和讀出的功能，驅(qū)動旋轉編碼器獲取操作信息，設計一個控制模塊根據(jù)編碼器操作信息控制數(shù)字萬年歷的邏輯（包括時間調(diào)節(jié)，顯示控制），最后驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)字萬年歷信息。

前面的章節(jié)中我們學習了掃描式數(shù)碼管模塊和旋轉編碼器模塊的工作原理及驅(qū)動方法，也對I2C總線協(xié)議及相關知識，本實驗主要對I2C總線驅(qū)動方法加以練習，同時完成數(shù)字萬年歷時間調(diào)節(jié)和顯示控制的邏輯，最終完成數(shù)字萬年歷總體設計。

• 復習I2C總線工作原理及通信協(xié)議
• 練習I2C接口驅(qū)動設計方法，完成實時時鐘芯片DS1340Z驅(qū)動設計
• 根據(jù)要求完成數(shù)字萬年歷調(diào)時和顯示控制的邏輯
• 完成數(shù)字萬年歷設計實現(xiàn)

根據(jù)前面的實驗解析我們可以得知，該設計可以拆分成幾個功能模塊實現(xiàn)，

• Encoder：驅(qū)動旋轉編碼器旋轉功能實現(xiàn)，獲取轉動信息
• Debounce：驅(qū)動旋轉編碼器按鍵功能實現(xiàn)，實現(xiàn)按鍵消抖
• modectrl：根據(jù)編碼器操作信息控制萬年歷時間調(diào)節(jié)和顯示控制邏輯 * DS1340Zdriver：驅(qū)動實時時鐘芯片DS1340Z完成時間寫入和讀出功能
• Segment_scan：通過驅(qū)動掃描式數(shù)碼管將萬年歷信息顯示出來。

從DS1340Z芯片手冊可以得到如下信息，DS1340Z芯片典型電路連接如下：

DS1340Z芯片管腳功能描述如下（SO-8封裝）：

DS1340Z芯片內(nèi)部結構圖如下：

STEP BaseBoard V3.0底板上的實時時鐘芯片DS1340Z模塊電路圖如下（上拉電阻未顯示）：

我們的實時時鐘芯片為DS1340Z-33，模塊電路中有電池座，電池電壓范圍為1.3V~5.5V，當安裝電池后底板掉電不影響實時時鐘芯片的運行，重新上電后讀取實時時鐘數(shù)據(jù)。

實時時鐘芯片DS1340Z需要外置32.768KHz的晶體，芯片內(nèi)部集成起振電阻電容等電路，晶體直接連接即可。

前面實驗中我們已經(jīng)講述學習過I2C總線驅(qū)動的設計，本實驗可以上原來的基礎上調(diào)整，首先來了解DS1340Z時序中的參數(shù)要點。

通過DS1340Z時序參數(shù)了解，DS1340Z支持I2C通信400KHz快速模式同時兼容100KHz的標準模式，還有兩種模式下時序中的各種時間參數(shù)，所以通信速度不需要調(diào)整。

• 普通列表項目分頻得到400KHz的時鐘，程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設計實驗。

I2C時序基本單元（啟動、停止、發(fā)送、接收、發(fā)應答、讀應答）協(xié)議里統(tǒng)一的，所以所以基本單元狀態(tài)的設計也是不需要調(diào)整的。

• 啟動時序狀態(tài)設計程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設計實驗。
• 發(fā)送單元和讀應答單元合并，時序狀態(tài)設計程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設計實驗。
• 接收單元和寫應答單元合并，時序狀態(tài)設計程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設計實驗。
• 停止時序狀態(tài)設計程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設計實驗。

DS1340Z芯片有很多寄存器，用于存儲實時時鐘的時間信息，例如地址為00H的寄存器中，bit7為晶體使能控制位，低有效，默認使能，bit6~bit0為秒鐘數(shù)據(jù)，且是BCD碼的格式（bit6~bit4代表秒鐘的十位，bit3~bit0代表秒鐘的個位），當需要調(diào)整秒鐘時間時，對00H寄存器寫操作，當讀取秒鐘時間時， 對00H寄存器讀操作。其他寄存器也是一樣，詳細請參考每個寄存器的功能說明。

本實驗涉及DS1340Z的寫寄存器和讀寄存器操作，查看手冊給出的操作時序流程。

芯片支持連續(xù)寫寄存器操作（寄存器地址自加1），時序流程如下：

根據(jù)連續(xù)寫寄存器時序流程，其設計程序?qū)崿F(xiàn)如下：

MAIN:begin
        if(cnt_main >= 6'd11) //對MAIN中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_main
            cnt_main <= 6'd0;   //
        else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;   
        case(cnt_main)
            6'd0:   begin state <= START; end   //I2C通信時序中的START
            6'd1:   begin data_wr <= 8'hd0; state <= WRITE; end     //寫地址為8'hd0
            6'd2:   begin data_wr <= 8'h00; state <= WRITE; end     //8'h00，起始寄存器
            6'd3:   begin data_wr <= adj_sec; state <= WRITE; end   //00寄存器地址，寫秒
            6'd4:   begin data_wr <= adj_min; state <= WRITE; end   //01寄存器地址，寫分
            6'd5:   begin data_wr <= adj_hour; state <= WRITE; end  //02寄存器地址，寫時
            6'd6:   begin data_wr <= adj_week; state <= WRITE; end  //03寄存器地址，寫周
            6'd7:   begin data_wr <= adj_day; state <= WRITE; end   //04寄存器地址，寫日
            6'd8:   begin data_wr <= adj_mon; state <= WRITE; end   //05寄存器地址，寫月
            6'd9:   begin data_wr <= adj_year; state <= WRITE; end  //06寄存器地址，寫年
            6'd10:  begin data_wr <= 8'h40; state <= WRITE; end   //07寄存器地址，8'h40
            6'd11:  begin state <= STOP; end    //I2C通信時序中的STOP
            default: state <= IDLE; //如果程序失控，進入IDLE自復位狀態(tài)
        endcase
    end

芯片支持連續(xù)讀寄存器操作（寄存器地址自加1），時序流程如下：

根據(jù)連續(xù)寫寄存器時序流程，其設計程序?qū)崿F(xiàn)如下：

MAIN:begin
        if(cnt_main >= 6'd32) //對MAIN中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_main
            cnt_main <= 6'd12;         //否則只執(zhí)行時間讀取操作
        else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;   
        case(cnt_main)
            6'd12:  begin state <= START; end   //I2C通信時序中的START
            6'd13:  begin data_wr <= 8'hd0; state <= WRITE; end //寫地址為8'hd0
            6'd14:  begin data_wr <= 8'h00; state <= WRITE; end //8'h00，寄存器初始地址
            6'd15:  begin state <= START; end   //I2C通信時序中的START
            6'd16:  begin data_wr <= 8'hd1; state <= WRITE; end //讀地址為8'hd1
            6'd17:  begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀秒
            6'd18:  begin rtc_sec <= rtc_data_r; end
            6'd19:  begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀分
            6'd20:  begin rtc_min <= rtc_data_r; end
            6'd21:  begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀時
            6'd22:  begin rtc_hour <= rtc_data_r; end
            6'd23:  begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀周
            6'd24:  begin rtc_week <= rtc_data_r; end
            6'd25:  begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀日
            6'd26:  begin rtc_day <= rtc_data_r; end
            6'd27:  begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀月
            6'd28:  begin rtc_mon <= rtc_data_r; end
            6'd29:  begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀年
            6'd30:  begin rtc_year <= rtc_data_r; end
            6'd31:  begin ack <= NACK; state <= READ; end   //控制
            6'd32:  begin state <= STOP; end    //I2C通信時序中的STOP，讀取完成標志
            default: state <= IDLE; //如果程序失控，進入IDLE自復位狀態(tài)
        endcase
    end

上面兩段程序就是對于DS1340Z芯片的兩種操作，調(diào)時間和讀時間，對于萬年歷來說因為有電池供電，實時時鐘一直都處于工作狀態(tài)，當給FPGA上電時只需要讀時間即可，只有遇到時間不對的時候才需要調(diào)時間，所以DS1340Z驅(qū)動模塊平時都在循環(huán)讀取時間，所以如果將調(diào)時間和讀時間的時序操作融合到同一個狀態(tài)下時，對于cntmain要加以控制，cntmain初值為12，且運行軌跡在12~32之間，控制程序調(diào)整如下：

if(cnt_main >= 6'd32) //對MAIN中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_main
    if(set_flag)cnt_main <= 6'd0;   //當set_flag被置位時才會執(zhí)行時間寫入操作
    else cnt_main <= 6'd12;         //否則只執(zhí)行時間讀取操作
    else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;

上面setflag為時間調(diào)整標志位，只有按動編碼器在調(diào)時間模式時需要用到寫時間數(shù)據(jù)的操作流程，可以根據(jù)按鍵脈沖置位setflag并自鎖，每次完成寫入操作后再將set_flag復位。程序?qū)崿F(xiàn)如下：

reg                 set_flag;
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) set_flag <= 1'b0;
    else if(cnt_main==5'd11) set_flag <= 1'b0;  //完成寫入時間操作復位set_flag
    else if(key_set) set_flag <= 1'b1;          //按鍵脈沖控制set_flag置位
    else set_flag <= set_flag;
    end

模塊端口如下：

module DS1340Z_driver
(
input clk, rst_n, //系統(tǒng)時鐘和復位 
input key_set,  //按動脈沖輸入
input [7:0] adj_hour, adj_min, adj_sec, //時分秒調(diào)整輸入
input [7:0] adj_year, adj_mon, adj_day, adj_week, //年份調(diào)整輸入 
output i2c_scl, //I2C總線SCLinout  i2c_sda, //I2C總線SDA 
output [7:0] rtc_hour, rtc_min, rtc_sec, //實時時鐘輸出
output [7:0] rtc_year, rtc_mon, rtc_day, rtc_week //實時年份輸出
);

到這里就完成了萬年歷中DS1340Z模塊的驅(qū)動設計，宏觀上講，該模塊的功能可以這樣描述：

• 正常模式下循環(huán)讀取時間信息，并把時間數(shù)據(jù)輸出
• 由旋轉編碼器按動脈沖信號key_set觸發(fā)進行一次寫操作，用于調(diào)節(jié)時間
• 每次寫操作調(diào)節(jié)時間的時間數(shù)據(jù)由其他模塊提供

控制模塊包含多個功能的設計：模式控制、調(diào)時控制、顯示控制，可以細化成多個模塊實現(xiàn)，本實驗例程中就寫在了一個模塊下，我們會針對這三個功能分別講解其實現(xiàn)方法及原理。

模式控制

項目要求設計成8個模式（常態(tài)、調(diào)年、調(diào)月、調(diào)日、調(diào)周、調(diào)時、調(diào)分、調(diào)秒），對8個狀態(tài)編碼，常態(tài)—0、調(diào)秒—1、調(diào)分—2、調(diào)時—3、調(diào)周—4、調(diào)日—5、調(diào)月—6、調(diào)年—7，通過按動旋轉編碼器切換，按照常識調(diào)時間從大到小調(diào)節(jié)，先調(diào)節(jié)年份最后調(diào)秒鐘，所以我們這8個狀態(tài)的狀態(tài)機跳轉順序是固定的（0→7→6→5→4→3→2→1→0），依次循環(huán)跳轉，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

//時鐘運行狀態(tài)控制
always@(posedge clk or negedge rst_n )
    if(!rst_n) state <= 3'd0;
    else if(O_pulse) //按鍵脈沖控制時鐘運行狀態(tài)的跳變，
        if(state) state <= state - 3'd1;
        else state <= 3'd7;
    else state <= state;

調(diào)時控制

調(diào)時控制在不同的調(diào)節(jié)模式對不同時間進行調(diào)整，我們分別以常態(tài)模式和調(diào)秒模式為例進行分析。

萬年歷時間調(diào)節(jié)要以當時的時間為基礎，常態(tài)模式下不需要調(diào)整任何時間，但是可以將實時時鐘讀出的時間數(shù)據(jù)賦給調(diào)節(jié)變量，這樣等跳轉到調(diào)節(jié)模式時對調(diào)節(jié)變量的控制就是以當時的時間為基礎了，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

3'd0:       //正常模式
    begin
        if(O_pulse)begin  //在常態(tài)下按動編碼器將當前實時時間賦值給調(diào)節(jié)寄存器
            adj_sec  <= rtc_sec;
            adj_min  <= rtc_min;
            adj_hour <= rtc_hour;
            adj_week <= rtc_week;
            adj_day  <= rtc_day;
            adj_mon  <= rtc_mon;
            adj_year <= rtc_year;
        end
    end

調(diào)秒模式與其他調(diào)節(jié)模式操作一樣，不同的是調(diào)節(jié)的規(guī)則不同，例如秒和分的調(diào)節(jié)范圍為0~59，小時調(diào)節(jié)范圍0~11或0~23，日期調(diào)節(jié)范圍需要考慮年和月的值（1、3、5、7、8、10、12月范圍1~31，4、6、9、11月范圍1~30，2月平年范圍1~28，2月閏年范圍1~29），周調(diào)節(jié)范圍1~7，月調(diào)節(jié)范圍1~12，年調(diào)節(jié)范圍0~99。對秒鐘數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

3'd1:       //調(diào)秒模式
    begin
        if(L_pulse) begin    //逆時針轉
            if(adj_sec[3:0]) adj_sec <= adj_sec - 1'h1;
            else if(adj_sec[7:4]) adj_sec <= {adj_sec[7:4]-1'h1,4'h9};
            else adj_sec <= 8'h59;
        end else if(R_pulse) begin    //順時針轉
            if(adj_sec[3:0]!=4'h9) adj_sec <= adj_sec + 1'h1;
            else if(adj_sec[7:4]!=4'h5) adj_sec <= {adj_sec[7:4]+1'h1,4'h0};
            else adj_sec <= 8'h00;
        end else adj_sec <= adj_sec;
    end

顯示控制

首先來看看一下數(shù)碼管要顯示的效果，8位數(shù)碼管分兩頁顯示萬年歷數(shù)據(jù)，第一頁顯示年月日周，第二頁顯示時分秒。

我們看到任何一項時間選項都由兩位數(shù)碼管顯示，每頁最多顯示4個時間選項，我們可以使用4位的變量dispen[3:0]控制4個時間選項的點亮或熄滅，dispen[3]控制最左側兩個數(shù)碼管，disp_en[0]控制最右側兩個數(shù)碼管，我們分別以常態(tài)模式和調(diào)秒模式為例進行顯示使能控制的分析。

常態(tài)模式下，轉動編碼器控制顯示頁碼，兩個頁碼對應的顯示控制，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

3'd0:   //正常模式
    if(L_pulse) disp_en <= 4'b1111;   //逆時針轉顯示第一頁，數(shù)碼管全亮
    else if(R_pulse) disp_en <= 4'b0111; //順時針轉顯示第二頁，時分秒亮
    else disp_en <= disp_en;

調(diào)秒模式下，小時和分鐘數(shù)碼管點亮，秒鐘閃爍顯示，轉動編碼器時秒鐘強制顯示，最后按動旋轉編碼器切到常態(tài)模式時，時分秒數(shù)碼管都回復顯示，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

3'd1: begin     //調(diào)秒模式
        disp_en[3:1] <= 3'b011; //時和分顯示
        if(L_pulse|R_pulse) disp_en[0] <= 1'b1; //轉動時強制顯示
        else if(sec_pulse) disp_en[0] <= ~disp_en[0]; //秒鐘閃爍顯示
        else if(O_pulse) disp_en <= 4'b0111; //返回常態(tài)時顯示時分秒
        else disp_en[0] <= disp_en[0];
      end

前面分析了顯示控制，主要對時間選項的點亮還是熄滅做控制，對應到數(shù)碼管上就轉化成數(shù)碼管位的點亮和熄滅控制。另外還包含顯示數(shù)據(jù)的控制，而這部分設計我們放到頂層模塊中實現(xiàn)了，我們來分析一下。

數(shù)碼管點亮控制

數(shù)碼管與時間選項是對應關系，每個選項對應兩位數(shù)碼管，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

wire [7:0] data_en = {{2{disp_en[3]}},{2{disp_en[2]}},{2{disp_en[1]}},{2{disp_en[0]}}};    //數(shù)碼管位選控制     
wire [7:0] dot_en  = {1'b0,disp_en[3],1'b0,disp_en[2],1'b0,disp_en[1],1'b0,disp_en[0]};    //數(shù)碼管小數(shù)點顯示控制

數(shù)碼管內(nèi)容控制

萬年歷的顯示分兩頁實現(xiàn)，我們以最右側兩個數(shù)碼管顯示內(nèi)容為例，這兩位數(shù)碼管在第一頁中顯示周數(shù)據(jù)，在第二頁中顯示秒數(shù)據(jù)，那么我們怎么控制顯示內(nèi)容呢？分析，萬年歷8中模式，

1.常態(tài)模式下，顯示讀取的實時時鐘數(shù)據(jù)，具體顯示周還是秒再次細化

• dispen等于4'b1111的時候，對應第一頁，顯示周數(shù)據(jù) * dispen等于4'b0111的時候，對應第二頁，顯示秒數(shù)據(jù)

常態(tài)模式下，根據(jù)disp_en選擇顯示周數(shù)據(jù)還是秒數(shù)據(jù)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

wire [7:0] data_rtc0 = disp_en[3]? rtc_week:rtc_sec; //常態(tài)下數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)

2.調(diào)節(jié)模式下，顯示寫入的調(diào)節(jié)時鐘數(shù)據(jù)，具體顯示周還是秒再次細化

• 調(diào)年、調(diào)月、調(diào)日、調(diào)周 狀態(tài)下（state>=3），對應第一頁，顯示周數(shù)據(jù)
• 調(diào)時、調(diào)分、調(diào)秒 狀態(tài)下（state<3），對應第二頁，顯示秒數(shù)據(jù)

調(diào)節(jié)模式下，根據(jù)state選擇顯示周數(shù)據(jù)還是秒數(shù)據(jù)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

wire [7:0] data_adj0 = state[2]? adj_week:adj_sec;  //調(diào)節(jié)狀態(tài)下數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)

3.最后根據(jù)常態(tài)模式還是調(diào)節(jié)模式控制數(shù)碼管顯示實時時鐘數(shù)據(jù)還是調(diào)節(jié)時鐘數(shù)據(jù)

根據(jù)state選擇顯示實時時鐘數(shù)據(jù)還是調(diào)節(jié)時鐘數(shù)據(jù)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

assign {data_7,data_8} = state? data_adj0:data_rtc3;  //根據(jù)狀態(tài)選擇顯示常態(tài)數(shù)據(jù)還是調(diào)節(jié)狀態(tài)數(shù)據(jù)

綜合后的設計框圖如下：

1. 雙擊打開Quartus Prime工具軟件；
2. 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目錄選擇，設備型號選擇，EDA工具選擇）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設計代碼并保存；
4. 設計綜合：雙擊Tasks窗口頁面下的Analysis & Synthesis對代碼進行綜合；
5. 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據(jù)項目需求分配管腳；
6. 設計編譯：雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對設計進行整體編譯并生成配置文件；
7. 程序燒錄：點擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進行下載；
8. 觀察設計運行結果。

將程序下載到FPGA中，按照設計要求的功能操作調(diào)節(jié)萬年歷的時間，觀察數(shù)碼管萬年歷顯示，如圖時間為18年6月27日，周三，19點15分14秒。