基于VHDL的電子秒表的設(shè)計(jì)

1、EDA技術(shù)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 基于VHDL的電子秒表的設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2015年 1月 5日至2015 年 1月9日華中科技大學(xué)武昌分校制目 錄1 課程設(shè)計(jì)的目的及主要內(nèi)容12 設(shè)計(jì)模塊1 2.1系統(tǒng)總體框圖及功能設(shè)計(jì) 1 2.1.1系統(tǒng)總體框圖1 2.1.2模塊功能設(shè)計(jì)2 2.2 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 2 2.2.1 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)思路 2 2.2.2 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真結(jié)果 3 2.3 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器 4 2.3.1 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)思路 42.3.2 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真結(jié)果 5 2.4 分頻器 6 2.4.

2、1 分頻器設(shè)計(jì)思路 6 2.4.2 分頻器仿真結(jié)果 7 2.5 LED顯示 7 2.5.1 LED顯示模塊設(shè)計(jì)思路7 2.5.2 LED顯示模塊仿真結(jié)果10 2.6 頂層仿真 113 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 124 主要參考資料 131 課程設(shè)計(jì)目的及主要內(nèi)容 （1）運(yùn)用數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)； （2）能進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)； （3）數(shù)字中的工作原理，工作流程圖與原理方框圖，自頂向下的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。具體內(nèi)容： 設(shè)計(jì)一個(gè)電子秒表，給定時(shí)鐘信號(hào)為256HZ，要求系統(tǒng)達(dá)到以下功能： (1)用6個(gè)數(shù)碼管分別顯示時(shí)、分、秒， 計(jì)時(shí)范圍為:00: 00： 00 23: 59：59。(2)計(jì)時(shí)精度

3、是1s。(3)具有啟/ 停開(kāi)關(guān), 復(fù)位開(kāi)關(guān), 可以在任何情況下使用。2設(shè)計(jì)模塊2.1 系統(tǒng)總體框圖及功能設(shè)計(jì)2.1.1系統(tǒng)總體框圖 電子秒表的基本工作原理就是不斷輸出連續(xù)脈沖給加法計(jì)數(shù)器，加法計(jì)數(shù)器通過(guò)譯碼器來(lái)顯示它所記憶的脈沖周期個(gè)數(shù)。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求, 系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)主要由六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊、二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊、分頻模塊、LED顯示模塊組成。系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)圖圖1中左邊為三個(gè)輸入信號(hào)en，clk，reset，分別為啟動(dòng)/停止開(kāi)關(guān)，時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位開(kāi)關(guān)。中間從上至下依次為count24，count60，count60，fenpinqi。右邊是clock1和輸出信

4、號(hào)wei3.0, led6.0。2.1.2模塊功能設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)由六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊、二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊、分頻模塊執(zhí)行計(jì)時(shí)功能, 輸入信號(hào)是256 Hz，通過(guò)分頻后為1hz，時(shí)鐘信號(hào)是1 Hz 作為秒表的秒輸入, 秒為60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 分也為60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 小時(shí)采用二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 各級(jí)進(jìn)位作為高位的使能控制。2.2 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器2.2.1 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)思路 設(shè)計(jì)一個(gè)八位的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊，輸入信號(hào)為en、reset、clk，分別為使能、復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)，輸出信號(hào)為qa30、qb30、rco，分別為低4位輸出、高4位輸出和進(jìn)位。圖2 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器示意圖六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊部分V

5、HDL 源程序如下。LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;ENTITY count60 ISPORT( en,Reset,clk: in STD_LOGIC; qa: out STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); qb: out STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); rco: OUT STD_LOGIC); END count60;ARCHITECTURE a OF count60 ISBEGINprocess(clk)variable tma

6、: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);variable tmb: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);beginIf Reset ='0'then tma:="0000" tmb:="0000" elsif clk'event and clk='1' thenif en='1' thenrco<=tmb(2)and tmb(0)and tma(3)and tma(0); if tma="1001" then tma:="

7、;0000" if tmb="0101" then tmb:="0000" else tmb:=tmb+1; end if; else tma:=tma+1; end if; end if; end if; qa<=tma;qb<=tmb; end process;END a;2.2.2 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真結(jié)果六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊部分仿真結(jié)果如下圖3。圖3六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真波形圖 CLK：時(shí)鐘信號(hào) RST：復(fù)位信號(hào) 低電平清零 En：置數(shù)端 低電平不讓它繼續(xù)計(jì)數(shù)qb、qa：分別為輸出數(shù)的十位個(gè)位，qb取值范圍為0-5，qa取值范圍為0

8、-9rco：進(jìn)位信號(hào)，當(dāng)qb=5，qa=0, rco=0時(shí)，clk上升沿來(lái)到后，qb=0, qa=0, rco=1； 當(dāng)qb=5，qa=0, rco=1時(shí)，clk上升沿來(lái)到后，qb=0, qa=0, rco=0。2.3 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器2.3.1 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)一個(gè)八位的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊，輸入信號(hào)為en、reset、clk，分別為使能、復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)，輸出信號(hào)為qa30、qb30，分別為低4位輸出、高4位輸出。圖4 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器示意圖 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊部分VHDL 源程序如下。LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;USE i

9、eee.std_logic_unsigned.ALL;ENTITY count24 ISPORT( en,Reset,clk: in STD_LOGIC; qa: out STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); qb: out STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); END count24;ARCHITECTURE a1 OF count24 ISBEGINprocess(clk)variable tma: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);variable tmb: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);be

10、ginIf Reset = '0'then tma:="0000" tmb:="0000" else if clk'event and clk='1' then if en='1' then if tma="1001" then tma:="0000"tmb:=tmb+1; elsif tmb="0010" and tma="0011" then tma:="0000"tmb:="0000&

11、quot; else tma:=tma+1; end if; end if; end if;end if; qa<=tma;qb<=tmb; end process;END a1;2.3.2 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真結(jié)果 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊部分仿真結(jié)果如下圖5。圖5二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真波形圖 CLK：時(shí)鐘信號(hào) RST：復(fù)位信號(hào) 低電平清零 En：置數(shù)端 低電平不讓它繼續(xù)計(jì)數(shù) qb、qa：輸出的四位二進(jìn)制數(shù)，分別對(duì)于要輸出數(shù)的十位個(gè)位 2.4 分頻器2.4.1 分頻器設(shè)計(jì)思路分頻器原理：輸入一個(gè)較高的頻率，比如750kHz，則設(shè)計(jì)算法，使得每輸入7500個(gè)脈沖輸出一個(gè)脈沖，這樣輸出端口

12、就提供一個(gè)100Hz的頻率。輸入信號(hào)為clk和rst，分別為時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)，輸出信號(hào)為clk_out，為分頻器1HZ的時(shí)鐘信號(hào)輸出。圖6 分頻器示意圖 分頻器模塊部分VHDL 源程序如下。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY fenpinqi IS PORT (CLK,RST:in std_logic; CLK_OUT:out std_logic); END fenpinqi;ARCHITECTURE behav OF fenpinqi ISsignal clk_dat

13、a:std_logic;SIGNAL CNT6 : INTEGER := 0;BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF RST = '0' THEN CNT6<=0 ; ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN IF CNT6=2 THEN clk_data<=NOT clk_data;CNT6<=0;ELSE CNT6<=CNT6+1; END IF; END IF; CLK_OUT<=clk_data; END PROCESS;END behav； 2.4.2 分頻器仿真結(jié)果 分頻器

14、模塊部分仿真結(jié)果如下圖7。圖7分頻器仿真波形圖 CLK：輸入分頻前的時(shí)鐘信號(hào) RST：復(fù)位信號(hào) 低電平清零 Clkout：輸出分頻后的時(shí)鐘信號(hào) 2.5 LED顯示2.5.1 LED顯示模塊設(shè)計(jì)思路 LED有著顯示亮度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，最常用的是七段式LED顯示器，又稱(chēng)數(shù)碼管。七段LED顯示器內(nèi)部由七個(gè)條形發(fā)光二極管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。LED數(shù)碼管的ga七個(gè)發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不能發(fā)亮，不同亮暗的組合就能形成不同的字形，這種組合稱(chēng)之為字形碼(段碼)，如顯示”0”,字形碼為3fh。數(shù)碼管的接口有靜態(tài)接口和動(dòng)態(tài)接口。動(dòng)態(tài)接口采用各數(shù)碼管循環(huán)輪

15、流顯示的方法，當(dāng)循環(huán)顯示頻率較高時(shí)，利用人眼的暫留特性 ，看不出閃爍顯示現(xiàn)象，這種顯示需要一個(gè)接口完成字形碼的輸出(字形選擇)，另一接口完 成各數(shù)碼管的輪流點(diǎn)亮(數(shù)位選擇)。將二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器和2個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出作為L(zhǎng)EDA顯示模塊的輸入，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下通過(guò)此模塊完成6個(gè)LED數(shù)碼管的顯示，輸出信號(hào)為WEI20和LED60，分別為位選信號(hào)和段碼輸出。圖8 LED顯示示意圖圖9 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 LED顯示模塊部分VHDL 源程序如下。 LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

16、ENTITY clock1 IS PORT(CLK: IN STD_LOGIC;S1, S2, S3, S4, S5, S6: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);WEI: OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);LED: OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END ENTITY;ARCHITECTURE behave OF clock1 ISSIGNAL CNT6 : INTEGER RANGE 0 TO 5 := 0;SIGNAL SHUJU: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BE

17、GIN PRO1:PROCESS(CLK)BEGINIF CLK'EVENT AND CLK = '1' THENCNT6 <= CNT6 + 1;CASE CNT6 ISWHEN 0 => WEI <= "000" SHUJU <= S1;WHEN 1 => WEI <= "001" SHUJU <= S2; WHEN 2 => WEI <= "010" SHUJU <= S3;WHEN 3 => WEI <= "011&quo

18、t; SHUJU <= S4;WHEN 4 => WEI <= "100" SHUJU <= S5;WHEN 5 => WEI <= "101" SHUJU <= S6;CNT6<=0;WHEN OTHERS => NULL;END CASE;END IF;END PROCESS;PRO2: PROCESS(SHUJU)BEGINCASE SHUJU ISWHEN "0000" => LED<= "1111110" ;WHEN "0001&

19、quot; => LED<= "0110000" ; WHEN "0010" => LED<= "1101101" ; WHEN "0011" => LED<= "1111001" ; WHEN "0100" => LED<= "0110011" ; WHEN "0101" => LED<= "1011011" ; WHEN "0110"

20、 => LED<= "1011111" ; WHEN "0111" => LED<= "1110000" ; WHEN "1000" => LED<= "1111111" ; WHEN "1001" => LED<= "1111011" ; WHEN others=> LED<= "0000000" ; END CASE;END PROCESS;END ; 2.5.2 LED顯

21、示模塊仿真結(jié)果 LED顯示模塊部分仿真結(jié)果如下圖10。圖10 LED顯示模塊仿真波形圖 Clk：時(shí)鐘信號(hào) s1，s2，s3，s4，s5，s6:輸入的的四位二進(jìn)制數(shù) led：輸出的七位二進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管腳的輸出gfedcba wei:輸出的三位而進(jìn)制數(shù)（輸出范圍為000-101），控制led輸出，當(dāng)wei=000時(shí)，led輸出s1對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的數(shù)碼管腳gfedcba當(dāng)wei=001時(shí)，led輸出s2對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的數(shù)碼管腳gfedcba當(dāng)wei=010時(shí)，led輸出s3對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的數(shù)碼管腳gfedcba當(dāng)wei=011時(shí)，led輸出s4對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的數(shù)碼管腳gfedcba當(dāng)wei=10

22、0時(shí)，led輸出s5對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的數(shù)碼管腳gfedcba當(dāng)wei=101時(shí)，led輸出s6對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的數(shù)碼管腳gfedcba2.6 頂層仿真 頂層仿真仿真波形如下圖11 圖11頂層仿真仿真波形CLK：時(shí)鐘信號(hào) RST：復(fù)位信號(hào) 低電平清零 En：置數(shù)端 低電平不讓它繼續(xù)計(jì)數(shù)led：輸出的七位二進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管腳的輸出gfedcbawei:輸出的三位而進(jìn)制數(shù)（輸出范圍為000-101），控制led輸出，當(dāng)wei=000時(shí)，led輸出對(duì)于秒鐘的個(gè)位當(dāng)wei=001時(shí)，led輸出對(duì)于秒鐘的十位當(dāng)wei=010時(shí)，led輸出對(duì)于分鐘的個(gè)位當(dāng)wei=011時(shí)，led輸出對(duì)于分鐘的十位當(dāng)wei=100時(shí)，led輸出對(duì)于時(shí)鐘的個(gè)位當(dāng)wei=101時(shí)，led輸出對(duì)應(yīng)時(shí)鐘的十位3 課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，把EDA