基于CPLD的時間控制器設計

0 引言

傳統(tǒng)時間控制器功能簡單，硬件線路多，設計復雜，可靠性差。隨著CPLD(復雜可編程邏輯器件)的飛速發(fā)展，它以其編程方便、集成度高，速度快、價格低等特點越來越受到廣大電子設計人員的青睞。

本文介紹一種以CPLD[1]為核心、以VHDL[2]為開發(fā)工具的時間控制器，該控制器不僅具有時間功能，而且具有定時器功能，能在00：00～23：59之間任意設定開啟時間和關閉時間，其設置方便、靈活，廣泛應用于路燈、廣告燈箱、霓虹燈等處的定時控制。

1 系統(tǒng)設計方案

l.l 系統(tǒng)總體結構

時間控制器主要由CLOCK(數(shù)字時鐘)、TIMESET(定時器開啟時間和關閉時間設置)、COMPARE(比較輸出)、FUNC-CTRL(功能控制模塊)和顯示輸出控制模塊等組成。

系統(tǒng)方框圖如圖l所示。

FUNC-CTRL模塊控制系統(tǒng)處于不同的功能狀態(tài)，并產(chǎn)生不同的控制信號分別控制TIME-SET模塊和CLOCK模塊，而這3個模塊的輸出連接到COMPARE模塊，當系統(tǒng)時間處在開啟時間和關閉時間段時，則定時器輸出端done輸出控制信號，DISP_CTRL(輸出選擇模塊)根據(jù)功能模塊的控制信號選擇不同功能狀態(tài)的時間輸出，通過SELTIME(動態(tài)掃描模塊)和DELED(七段譯碼模塊)驅動七段數(shù)碼管顯示相應的時間。

1．2 系統(tǒng)功能要求

a)具有數(shù)字時鐘功能，用4個數(shù)碼管分別顯示小時、分鐘，并且具有時間校對功能。

b)能方便地設定定時器的開啟時間和關閉時間，通過比較器輸出時間控制信號。

c)具有4種功能狀態(tài)：系統(tǒng)時間校對狀態(tài)、開啟時間設定狀態(tài)、關閉時間設定狀態(tài)、時鐘正常顯示狀態(tài)，通過功能轉換鍵(fun)可以使系統(tǒng)在這4種狀態(tài)之間循環(huán)變化，并且可以通過指示燈LED顯示當前系統(tǒng)功能狀態(tài)，數(shù)碼管顯示相應功能狀態(tài)的時間，如當前在開啟時間設定狀態(tài)下，開啟時間設置指示燈ledon會亮，數(shù)碼管同時顯示當前設置的時間。

d)開啟時間設定、關閉時間設定和時間校對采用共同的時調節(jié)鍵set_hour和分調節(jié)鍵set_min；每按一下set_hour鍵，小時就會自動加1，采用24進制計數(shù)，當計數(shù)到23時又會恢復為00；每按一下set_min鍵，分鐘會自動加1；采用60進制計數(shù)，當計數(shù)到59時，又會恢復為00。

2 子模塊功能設計及仿真

2.1 CLOCK模塊

CLOCK模塊內部整體框圖如圖2所示。

其中：SECOND為60進制秒計數(shù)器，MINUTE為60進制分鐘計數(shù)器，HOUR為24進制小時計數(shù)器；clk為標準的1Hz時鐘信號作為秒計數(shù)輸入，秒計數(shù)器的進位輸出作為分鐘MINUTE的計數(shù)時鐘，而MINUTE進位輸出作為小時HOUR模塊的時鐘輸入；輸入端set_rain、set_hour和en_time分別為校分、校時和時間設置控制信號。模塊HOUR_MIN把小時和分鐘輸出合成時間輸出信號time[13..0](小時采用24進制，只需6位二進制表示，分鐘用8位二進制表示)。

2．2 TIME_SET模塊

開啟時問模塊主要設置定時器殲啟時間，可以設定具體幾時幾分，而關閉時間則設定定時器關閉時間，起始時間設定模塊與結束時間設定模塊功能相同，采用同一個TIME_SET模塊。該模塊由一個24進制小時計數(shù)器和一個60進制分鐘計數(shù)器組成，當控制端EN為高電平時，通過調節(jié)鍵set_hour和set_min分別設置小時和分鐘信號，從而設置開啟時問和關閉時間，并產(chǎn)生時間信號data[13..0]。仿真結果如圖3所示。

2．3 COMPARE模塊

COMPARE模塊實現(xiàn)系統(tǒng)當前時間與設定的開啟時間和關閉時間的比較，從而輸出定時控制輸出信號。由于系統(tǒng)時間的小時和分鐘分別采用24進制和60進制方式，分3種情況討論：

a)當系統(tǒng)設定的開啟時間小于關閉時間時，只要當前系統(tǒng)時間大于等于開啟時間而小于關閉時間，則輸出端co的輸出信號為高電平，否則為低電平。

b)當系統(tǒng)設定的開啟時間大于關閉時間時，則當系統(tǒng)時間大于等于關閉時間而小于開啟時間時，輸出端co為低電平，否則為高電平。

c)如果開啟時間等于關閉時間，則輸出端co為低電平，仿真結果如圖4。

該模塊部分VHDL源程序如下：

2.4 FUNC_CTRL模塊

利用功能轉換鍵(fun)使系統(tǒng)處在不同的功能狀態(tài)：系統(tǒng)時間校對狀態(tài)、開啟時間設定狀態(tài)、關閉時間設定狀態(tài)、正常顯示狀態(tài)。利用功能轉換鍵實現(xiàn)4個功能狀態(tài)之間循環(huán)變化，并產(chǎn)生相應的控制信號(en_time、en_on、en_off)去控制CLOCK模塊、TIME_SET、模塊和DISP_CTRL模塊等。在調整過程中，只有被選擇到的功能狀態(tài)指示燈被點亮，其他燈不亮，在正常模式狀態(tài)下，狀態(tài)燈都不亮。

其部分源程序如下：

2.5 顯示控制模塊

1)DISP_CTRL模塊

該模塊根據(jù)功能控制模塊輸出的控制信號en_on、en_off的值來選擇輸出信號，當en_on=l時，輸出值為定時器的開啟時問信號，當en_off=1時，輸出值為定時器的關閉時間信號，en_time=1時，輸出值為系統(tǒng)時間校對信號，其他情況則輸出系統(tǒng)時間。

2)SELTIME模塊及DELED模塊

時間顯示的4個數(shù)碼管采用動態(tài)掃描[3]輸出，一般只要每個掃描頻率超過人的眼睛視覺暫留頻率24 Hz以上就可以達到點亮單個顯示而不閃爍，掃描頻率采用1 kHz信號。動態(tài)掃描輸出信號通過BCD-七段顯示譯碼器[4](DELED)連接到數(shù)碼管顯示具體數(shù)字。

動態(tài)掃描的部分程序如下(其中clk1為掃描時鐘輸入信號，sel為數(shù)碼管片選信號)：



2.6 1 Hz標準時鐘產(chǎn)生模塊

系統(tǒng)時鐘輸入信號CLK1K為1 kHz信號，它可作為動態(tài)掃描時鐘信號，如果把1 kHz信號經(jīng)過3個10分頻器FEN10便可得到標準的1 Hz時鐘信號，作為系統(tǒng)時間模塊的標準秒輸入信號。

3 系統(tǒng)部分功能仿真

各部分模塊完成后生成圖形符號，在MAX+PLUSⅡ中采用圖形法把各部分連接起來，如圖1所示，對系統(tǒng)部分模塊進行功能仿真，圖5為系統(tǒng)時間設置仿真圖。

在fun功能轉換鍵上升沿來之后，系統(tǒng)時間調整指示燈ledtime變?yōu)楦咂?，系統(tǒng)當前處在數(shù)字時鐘校正狀態(tài)，set_min是分鐘設置端，sel[1..O]是片選信號，led[6..0]為數(shù)碼管的輸入信號，從圖中可知符合功能要求。由于篇幅限制，略去其余模塊的仿真圖。

本系統(tǒng)采用的CPLD芯片為Altera公司的EPF10KLC84-3芯片，用VHDL和MAX+PLUSⅡ10.0軟件工具開發(fā)。設計輸入完成后，進行整體的編譯和邏輯仿真，然后進行轉換、延時仿真生成配置文件，最后下載至CPLD器件，完成結構功能配置，實現(xiàn)其硬件功能。

4 結束語

該系統(tǒng)運用先進的EDA軟件和VHDL，采用模塊法白頂向下的設計原則，并借助于CPLD實現(xiàn)時間控制器的設計，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代數(shù)字電路設計系統(tǒng)芯片化，芯片設計化設計的思想突破了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的設計模式，使系統(tǒng)開發(fā)速度快、成本低、系統(tǒng)性能大幅度提高。