EDA課設(shè)—數(shù)字鐘設(shè)計說明書

1、目錄第一章 系統(tǒng)工作原理1第二章 程序模塊分析22.1 時鐘分頻模塊22.2 時鐘運行模式模塊22.3掃描數(shù)碼管及蜂鳴模塊42.4數(shù)碼管顯示模塊5第三章 時序仿真7第四章 總結(jié)9參考文獻(xiàn)9附錄10基于Verilog HDL設(shè)計的多功能數(shù)字鐘本文利用Verilog HDL 語言自頂向下的設(shè)計方法設(shè)計多功能數(shù)字鐘, 在本文中采用Verilog HDL 語言設(shè)計多功能數(shù)字鐘, 借助其功能強大的語言結(jié)構(gòu), 簡明的代碼描述復(fù)雜控制邏輯設(shè)計, 與工藝無關(guān)特性, 在提高工作效率的同時達(dá)到目的, 并可以通過Verilog HDL 語言的綜合工具進(jìn)行相應(yīng)硬件電路的生成, 突出了其作為硬件描述語言的良好的可讀性、

2、可移植性和易理解等優(yōu)點, 具有傳統(tǒng)邏輯設(shè)計方法所無法比擬的優(yōu)越性。此程序通過下載到FPGA 芯片后,可應(yīng)用于實際的數(shù)字鐘顯示中。第一章 系統(tǒng)工作原理工作原理：時鐘系統(tǒng)由八個數(shù)碼管顯示組成，其中第1、2個顯示的為時的高位和低位，第3個數(shù)碼管顯示的是分隔符“-”，第4、5個為分的高低位，第6個也為隔符“-”，第7、8個為秒的高低位。時鐘工作時用到兩個頻率，一個是系統(tǒng)頻率Clk，主要用來掃描數(shù)碼管和分頻，第二個是時鐘工作頻率Clk_1HZ（由Clk分頻得來），按下復(fù)位鍵，秒分時顯示清零，工作時Clk（489HZ）不斷通過3-8譯碼器值的改變來掃描時鐘的八位數(shù)碼管，由于人眼分辯不出這么高的頻率，所以看

3、到的是八個數(shù)碼管一直同時亮著，與此同時控制端連著七段數(shù)碼管的七位不斷提供秒時分的高低位譯碼到數(shù)碼管上顯示，當(dāng)Clk計數(shù)到244次(500ms)時，Clk_1HZ翻轉(zhuǎn)一次，這樣Clk_1HZ的周期就為1s整，每個Clk_1HZ的上升沿給秒的低位加1。按調(diào)時鍵S1進(jìn)入調(diào)時模式，按下開關(guān)時程序里設(shè)置掃描到時的高低位時不顯示，同時時的低位加1，松開開關(guān)時再顯示出來，以此實現(xiàn)閃爍的功能，調(diào)分鍵也是同理。圖1、系統(tǒng)原理圖各個輸入輸出端口定義如下：Clk: 489HZ 的系統(tǒng)基準(zhǔn)時鐘輸入。作為七段碼管掃描頻率。將其489分頻可得到1HZ的數(shù)字鐘工作頻率。Rst: 系統(tǒng)復(fù)位信號, 低電平有效。復(fù)位后顯示00-

4、00-00。S1: 調(diào)節(jié)小時信號, 低電平有效。每按下一次, 小時增加一個小時。S2: 調(diào)節(jié)分鐘信號, 低電平有效。每按下一次, 分鐘增加一個分鐘。Spk: 輸出到揚聲器, 產(chǎn)生嘀、嗒的報時聲。Sel: 七段碼管掃描驅(qū)動。因為是八個七段碼管,所以Sel 為三位總線。掃描頻率為489HZ, 由于人眼的視覺效果, 呈現(xiàn)在眼前的便是整體的時-分-秒顯示。Display: 七段碼管顯示輸出。除此之外另設(shè)了幾個寄存器：Clk_1HZ：1HZ的數(shù)字鐘工作頻率Clk_Count1：產(chǎn)生1Hz 時鐘的分頻計數(shù)器Music_Count：產(chǎn)生揚聲器聲音頻率的分頻計數(shù)器SECL,SECH：秒的低位和高位MINL,M

5、INH：分的低位和高位HOURL,HOURH：時的低位和高位Disp_Temp：顯示存儲中間量第二章 程序模塊分析2.1 時鐘分頻模塊always(posedge Clk)beginif(Clk_Count1=244) /對計數(shù)器進(jìn)行判斷, 以確定Clk_1HZ 信號是否反轉(zhuǎn) begin Clk_1HZ<=Clk_1HZ; Clk_Count1<=0; endelse Clk_Count1<=Clk_Count1+1;end時鐘分頻模塊實現(xiàn)的功能的把系統(tǒng)時鐘（489HZ）分頻為Clk_1HZ（1HZ）提供時鐘工作頻率，Clk_Count1為定義的一個計數(shù)器，當(dāng)計到第244次時

6、，剛好經(jīng)過500ms（略有誤差），Clk_1HZ翻轉(zhuǎn)一次，人為制造出一個1HZ的時鐘。2.2 時鐘運行模式模塊always(posedge Clk_1HZ or negedge Rst)if(!Rst)/系統(tǒng)復(fù)位 begin SECL<=0; SECH<=0; MINL<=0; MINH<=0; HOURL<=0; HOURH<=0; endelse begin if(!S1) /調(diào)節(jié)小時 begin if(HOURL=9) begin HOURL<=0; HOURH<=HOURH+1; end else begin if(HOURH=2&

7、;&HOURL=3) begin HOURL<=0; HOURH<=0; end else HOURL<=HOURL+1; end end else if(!S2) /調(diào)節(jié)分鐘 begin if(MINL=9) begin MINL<=0; if(MINH=5) MINH<=0; else MINH<=MINH+1; end else MINL<=MINL+1; end else if(SECL=9) /一般運行狀態(tài) begin SECL<=0; if(SECH=5) begin SECH<=0; if(MINL=9) begin

8、MINL<=0; if(MINH=5) begin MINH<=0; if(HOURL=9) begin HOURL<=0; HOURH<=HOURH+1; end else if(HOURH=2&&HOURL=3) begin HOURL<=0; HOURH<=0; end else HOURL<=HOURL+1; end else MINH<=MINH+1; end else MINL<=MINL+1; end else SECH<=SECH+1; end else SECL<=SECL+1;end此模塊描述

9、的是時鐘運行的幾種形式，復(fù)位之后時分秒的高低位全給賦0，開始計數(shù)，按下S1鍵后，進(jìn)入調(diào)時模式，按下一次加1，再根據(jù)各種情況判斷是否進(jìn)位等，同理按下S2鍵后進(jìn)入調(diào)分模式，什么都不按下的情況下就是一般運行狀態(tài)，先從秒開始判斷，9秒時秒低位給0，高位進(jìn)1，59秒時秒的高低位全給0，分的低位加1，還有9分59秒、59分59秒的情況等等，完全列舉出了時鐘運行的各種可能，按情況處理。2.3掃描數(shù)碼管及蜂鳴模塊always(posedge Clk) begin Music_Count<=Music_Count+1; Sel<=Sel+1; /掃描累加 if(MINH=5&&MIN

10、L=9&&SECH=5) /在59 分50 秒開始提示 begin if(SECL%2)=0) /在偶數(shù)秒開始發(fā)聲 Spk<=Music_Count2; /嘀 else Spk<=0; end else if(MINH=0&&MINL=0&&SECH=0&&SECL=0) Spk<=Music_Count1; /嗒 else Spk<=0; end此模塊的功能是給3-8譯碼器一個掃描頻率為Clk的三位輸入，經(jīng)3-8譯碼器輸出后掃描八個數(shù)碼管，蜂鳴器實現(xiàn)的是整點報時功能。2.4數(shù)碼管顯示模塊always(Se

11、l) /三種掃描方式 begin if(!S1) begin case(Sel) 3'b111:Disp_Temp=4'b1111; 3'b110:Disp_Temp=4'b1111; 3'b101:Disp_Temp=4'b1010; 3'b100:Disp_Temp=MINH; 3'b011:Disp_Temp=MINL; 3'b010:Disp_Temp=4'b1010; 3'b001:Disp_Temp=SECH; 3'b000:Disp_Temp=SECL; endcase end els

12、e if(!S2) begin case(Sel) 3'b111:Disp_Temp=HOURH; 3'b110:Disp_Temp=HOURL; 3'b101:Disp_Temp=4'b1010; 3'b100:Disp_Temp=4'b1111; 3'b011:Disp_Temp=4'b1111; 3'b010:Disp_Temp=4'b1010; 3'b001:Disp_Temp=SECH; 3'b000:Disp_Temp=SECL; endcase end else begin case(

13、Sel) 3'b111:Disp_Temp=HOURH; 3'b110:Disp_Temp=HOURL; 3'b101:Disp_Temp=4'b1010; 3'b100:Disp_Temp=MINH; 3'b011:Disp_Temp=MINL; 3'b010:Disp_Temp=4'b1010; 3'b001:Disp_Temp=SECH; 3'b000:Disp_Temp=SECL; endcase end endalways(Disp_Temp) /數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)換 begin case(Disp_Temp)

14、 4'b0000:Display=7'b0111111; /0 4'b0001:Display=7'b0000110; /1 4'b0010:Display=7'b1011011; /2 4'b0011:Display=7'b1001111; /3 4'b0100:Display=7'b1100110; /4 4'b0101:Display=7'b1101101; /5 4'b0110:Display=7'b1111101; /6 4'b0111:Display=7'

15、b0000111; /7 4'b1000:Display=7'b1111111; /8 4'b1001:Display=7'b1101111; /9 4'b1010:Display=7'b1000000; /- default:Display=7'b0000000; /全滅 endcase end此模塊實現(xiàn)的是數(shù)碼管的顯示，分三種模式，第1種，調(diào)時模式，由于調(diào)節(jié)時鐘的對應(yīng)的位需要實現(xiàn)閃爍功能，所時按下調(diào)時（分）鍵時對應(yīng)的時（分）位必須暗下去，等鍵松開時再回歸一般狀態(tài)，即所有數(shù)碼管都亮，按下時按相應(yīng)位暗下去是通過掃描到相應(yīng)位時讓數(shù)碼管不顯示

16、實現(xiàn)的。第三章 時序仿真程序編譯通過后，進(jìn)行了一下仿真，設(shè)置Clk為2周期為2ms（近似489HZ），End Time設(shè)了100s，仿真結(jié)果如下圖。圖2 仿真結(jié)果圖在Rst復(fù)位端為從低變到高開始計時，計時Clk489次后秒的低位進(jìn)1，這里由于244次Clk上升沿后Clk_1HZ才翻轉(zhuǎn)，故Clk太密集觀察困難，秒的低位到9以后秒高位進(jìn)1，同理到分以及時，由于如果結(jié)束時間設(shè)得太長，仿真結(jié)果出來得太慢，此處只設(shè)了100s，下圖為放大后結(jié)果，計時Clk489次后秒的低位進(jìn)1。圖3 1秒跳變放大圖下圖為數(shù)碼管顯示放大后的仿真圖，可以看到，Sel為000時，系統(tǒng)掃描到的是秒的低位,顯示為Display：0

17、111111，即顯示0，以此類推，Sel為001時，掃描到的是秒的高位，010時為分隔符“-”直到111時的高位，此處全部顯示為零，因為計數(shù)還未到達(dá)1秒。圖4 數(shù)碼管顯示放大圖功能仿真結(jié)束后, 利用綜合工具對Verilog HDL源碼進(jìn)行綜合, 生成網(wǎng)表文件, 再根據(jù)該網(wǎng)表文件和所選可編程邏輯器件FPGA 進(jìn)行優(yōu)化、布局布線, 然后進(jìn)行布線后仿真, 最后生成FPGA 碼流文件, 把該文件輸入可編程邏輯器件即可制成實際數(shù)字電路，最后在實驗箱上運行正常，所有功能均能實現(xiàn)。第四章 總結(jié)此次EDA課設(shè)是大學(xué)階段最后的一個課程設(shè)計，所以本人也盡全力在有限的時間內(nèi)把數(shù)字鐘的基本功能都實現(xiàn)了，在付出了汗水的

18、同時也得到了很多的收獲，熟悉了設(shè)計流程，加強了設(shè)計理念，當(dāng)然最重要的還是提高了動手能力，雖不敢說程序全是原創(chuàng)吧，但也確實加入了很多思考，付出了不少汗水，但是在此之余由于時間等各方面所限，程序完成的也不是盡如人意，比如設(shè)置時和分的按鍵缺少一個防抖的功能，這就導(dǎo)致有時按下調(diào)節(jié)鍵時沒有反應(yīng)（鍵盤抖動造成的），按下時間長點就沒問題，寫程序的時候沒有考慮到這一步，導(dǎo)致最后程序也不好改，這是要我要吸取的教訓(xùn)，也算是增加了一點微薄的經(jīng)驗吧。最后還要感謝武老師和喬老師，學(xué)期末還一直不辭辛苦耐心地指導(dǎo)我們，讓我們基本都順利地完成了大學(xué)最后一個課設(shè)。參考文獻(xiàn)1來清民. 基于CAN 總線的多功能大型糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

19、J微計算機信息,2005,7:51- 532Bhasker J. A Verilog HDL Primer . Allentown(PA): Star Galaxy Press,1997附錄module clock(Clk,Rst,S1,S2,Display,Sel,Spk);input Clk; /489HZ 時鐘輸入input Rst; /復(fù)位輸入input S1; /小時調(diào)節(jié)輸入input S2; /分鐘調(diào)節(jié)輸入output Spk; /揚聲器輸出output2:0 Sel; /七段碼管掃描驅(qū)動output6:0 Display; /七段碼管顯示輸出reg Spk;reg2:0 Sel;

20、reg6:0 Display;reg10:0Clk_Count1; /產(chǎn)生1Hz 時鐘的分頻計數(shù)器 reg Clk_1HZ;reg2:0 Music_Count; /產(chǎn)生揚聲器聲音頻率的分頻計數(shù)器reg3:0 SECL,SECH;reg3:0 MINL,MINH;reg3:0 HOURL,HOURH;reg3:0 Disp_Temp;always(posedge Clk)beginif(Clk_Count1=244) /對計數(shù)器進(jìn)行判斷, 以確定Clk_1HZ 信號是否反轉(zhuǎn) begin Clk_1HZ<=Clk_1HZ; Clk_Count1<=0; endelse Clk_Cou

21、nt1<=Clk_Count1+1;endalways(posedge Clk_1HZ or negedge Rst)if(!Rst)/系統(tǒng)復(fù)位 begin SECL<=0; SECH<=0; MINL<=0; MINH<=0; HOURL<=0; HOURH<=0; endelse begin if(!S1) /調(diào)節(jié)小時 begin if(HOURL=9) begin HOURL<=0; HOURH<=HOURH+1; end else begin if(HOURH=2&&HOURL=3) begin HOURL<=

22、0; HOURH<=0; end else HOURL<=HOURL+1; end end else if(!S2) /調(diào)節(jié)分鐘 begin if(MINL=9) begin MINL<=0; if(MINH=5) MINH<=0; else MINH<=MINH+1; end else MINL<=MINL+1; end else if(SECL=9) /一般運行狀態(tài) begin SECL<=0; if(SECH=5) begin SECH<=0; if(MINL=9) begin MINL<=0; if(MINH=5) begin MI

23、NH<=0; if(HOURL=9) begin HOURL<=0; HOURH<=HOURH+1; end else if(HOURH=2&&HOURL=3) begin HOURL<=0; HOURH<=0; end else HOURL<=HOURL+1; end else MINH<=MINH+1; end else MINL<=MINL+1; end else SECH<=SECH+1; end else SECL<=SECL+1;endalways(posedge Clk) begin Music_Coun

24、t<=Music_Count+1; Sel<=Sel+1; /掃描累加 if(MINH=5&&MINL=9&&SECH=5) /在59 分50 秒開始提示 begin if(SECL%2)=0) /在偶數(shù)秒開始發(fā)聲 Spk<=Music_Count2; /嘀 else Spk<=0; end else if(MINH=0&&MINL=0&&SECH=0&&SECL=0) Spk<=Music_Count1; /嗒 else Spk<=0; endalways(Sel) /三種掃描

25、方式 begin if(!S1) begin case(Sel) 3'b111:Disp_Temp=4'b1111; 3'b110:Disp_Temp=4'b1111; 3'b101:Disp_Temp=4'b1010; 3'b100:Disp_Temp=MINH; 3'b011:Disp_Temp=MINL; 3'b010:Disp_Temp=4'b1010; 3'b001:Disp_Temp=SECH; 3'b000:Disp_Temp=SECL; endcase end else if(!S2) begin case(Sel) 3'b111:Disp_Temp=HOURH; 3'b110:Disp_Temp=HOURL; 3'b101:Disp_Temp=4'b1010; 3'b100:Disp_Temp=4'b1111; 3'b011:Disp_Temp=4'b1111; 3'b010:Disp_Temp=4'b1010; 3'b001: