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數(shù)字萬年歷設(shè)計

作者: 時間:2023-12-15 來源:電子森林 收藏
  • 普通列表項目任務(wù):基于核心板 和 底板 完成數(shù)字設(shè)計并觀察調(diào)試結(jié)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(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)數(shù)字和控制顯示,具體控制如下:
    • 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(zhuǎn)編碼器在8個狀態(tài)中依次循環(huán)切換
    • 常態(tài)下,轉(zhuǎn)動編碼器切換顯示頁,逆時針轉(zhuǎn)顯示第一頁,順時針轉(zhuǎn)顯示第二頁
    • 調(diào)節(jié)狀態(tài)下,旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)時間,逆時針轉(zhuǎn)減,順時針轉(zhuǎn)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(zhuǎn)編碼器獲取操作信息,設(shè)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。

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

  • Encoder:驅(qū)動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)功能實現(xiàn),獲取轉(zhuǎn)動信息
  • Debounce:驅(qū)動旋轉(zhuǎn)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。

Top-Down層次設(shè)計

 

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

實驗原理

DS1340Z模塊介紹

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:

典型電路連接

DS1340Z芯片管腳功能描述如下(SO-8封裝):

管腳功能描述

DS1340Z芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下:

芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

DS1340Z模塊連接

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):

DS1340Z模塊電路

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)。

DS1340Z電壓范圍

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。

DS1340Z晶振連接

DS1340Z驅(qū)動設(shè)計

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

DS1340Z時序圖

DS1340Z時序參數(shù)

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(shè)計實驗。

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

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

DS1340Z寄存器布局

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:

DS1340Z連續(xù)寫操作

根據(jù)連續(xù)寫寄存器時序流程,其設(shè)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(fù)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:

DS1340Z連續(xù)讀操作

根據(jù)連續(xù)寫寄存器時序流程,其設(shè)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(shè)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(zhuǎn)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

萬年歷控制模塊實現(xiàn)

控制模塊包含多個功能的設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)順序是固定的(0→7→6→5→4→3→2→1→0),依次循環(huán)跳轉(zhuǎn),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(chǔ),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(zhuǎn)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(chǔ)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(zhuǎn)
            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(zhuǎn)
            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。

萬年歷頁碼規(guī)劃

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(cè)兩個數(shù)碼管,disp_en[0]控制最右側(cè)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(zhuǎn)動編碼器控制顯示頁碼,兩個頁碼對應(yīng)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(zhuǎn)顯示第一頁,數(shù)碼管全亮
    else if(R_pulse) disp_en <= 4'b0111; //順時針轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動編碼器時秒鐘強制顯示,最后按動旋轉(zhuǎn)編碼器切到常態(tài)模式時,時分秒數(shù)碼管都回復(fù)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(zhuǎn)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

系統(tǒng)總體實現(xiàn)

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(yīng)到數(shù)碼管上就轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)關(guān)系,每個選項對應(yīng)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(cè)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(yīng)第一頁,顯示周數(shù)據(jù) * dispen等于4'b0111的時候,對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)計框圖如下:

RTL設(shè)計框圖

實驗步驟

  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(shè)備型號選擇,EDA工具選擇);
  3. 新建文件:File → New → Verilog HDL File,鍵入設(shè)計代碼并保存;
  4. 設(shè)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(shè)計編譯:雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對設(shè)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(shè)計運行結(jié)果。

將程序下載到中,按照設(shè)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。

實驗現(xiàn)象

 

實驗現(xiàn)象



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