EDA實驗教程電子鐘

1、計算機EDA設(shè)計實驗教程實驗十一 電子日歷和電子時鐘8/10/20221內(nèi)容概要實驗?zāi)康膶嶒炓髮嶒炘韺嶒炛笇?dǎo)實驗內(nèi)容實驗報告8/10/20222實驗?zāi)康恼莆针娮尤諝v和電子時鐘的原理。 熟悉同步及異步時序電路和相應(yīng)計數(shù)器的設(shè)計方法。 綜合應(yīng)用前面的設(shè)計如計數(shù)器、分頻電路、數(shù)碼管掃描顯示等知識。 8/10/20223實驗要求設(shè)計一個電子日歷和電子時鐘 計時功能：包括對時間和日期的計時；校時功能：能用按鈕方便地設(shè)置各時間單位計數(shù)初值，且當(dāng)選擇了某對象后，所對應(yīng)的數(shù)碼管閃爍點亮； 清零功能：能用按鈕將時間清為0點0分0秒，或?qū)⑷掌谇鍨?0年1月1日，星期一；或?qū)Ⅳ[鐘定時設(shè)置清為0點0分； 8/10

2、/20224定時提醒（鬧鐘）的功能：能在設(shè)定的時間發(fā)出鬧鈴音，即持續(xù)20秒的急促的“嘀嘀”音，若按住setn鍵不放，可屏蔽鬧鈴音； 整點報時功能：每逢整點，產(chǎn)生“嘀嘀嘀嘀嘟”四短一長的報時音； 顯示功能：同時采用6個數(shù)碼管掃描顯示時間或日歷或鬧鐘定時的值。使用顯示模式切換按鈕（moden），當(dāng)按動不同的次數(shù)時，分別選擇顯示時間、日期、星期和鬧鐘定時。 8/10/20225利用GW48-SOPC+實驗開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計的編程下載 編程器件為EP1C12Q240C8； 系統(tǒng)時鐘fclk = 20MHz； 使用實驗箱上的未防抖開關(guān)鍵9進(jìn)行顯示模式切換，使用鍵10和鍵11選擇設(shè)置計數(shù)初值對象和設(shè)置計數(shù)初

3、值； 使用數(shù)碼管數(shù)碼1、2、4、5、7、8實現(xiàn)計數(shù)值的掃描顯示； 使用揚聲器SPEAKER播放鬧鈴音和整點報時音； 使用鍵12、鍵13和鍵14實現(xiàn)對時間、日期和鬧鐘定時的清零功能 。8/10/20226實驗原理 電子日歷和電子時鐘在設(shè)計思想上并無多少差異，二者都是利用幾級分頻電路對時鐘信號分頻計數(shù)，以達(dá)到計時的功能。 開發(fā)系統(tǒng)上采用的時鐘信號的頻率是20MHz，可分別設(shè)計計數(shù)器對其分頻計數(shù)，包括計秒、分、小時、日、周、月以及年等。在每一級上顯示輸出，即構(gòu)成了一個電子日歷和時鐘的模型。為了可以隨意調(diào)整計數(shù)值，還應(yīng)包含設(shè)定計數(shù)初值的電路。 8/10/20227實驗指導(dǎo) 1. 信號定義及下載板資源分

4、配 輸入信號 clk：系統(tǒng)時鐘信號 20MHz，接Pin28 moden：選擇顯示時間或日歷或鬧鐘定時的顯示模式切換信號，接按鈕開關(guān)鍵9 selectn：選擇設(shè)置計數(shù)初值對象信號，接按鈕開關(guān)鍵10 setn：設(shè)置計數(shù)初值信號，接按鈕開關(guān)鍵11 clr_timen：時間復(fù)位信號，接按鈕開關(guān)鍵12 clr_daten：日期復(fù)位信號，接按鈕開關(guān)鍵13 clr_alarm_setn：清除鬧鐘定時設(shè)置信號，接按鈕開關(guān)鍵14 注意：鍵9 14輸出均為負(fù)脈沖有效！ 8/10/20228輸出信號 alarm：輸出到揚聲器的信號，產(chǎn)生鬧鈴音和整點報時音； out7.0：從高到低分別對應(yīng)數(shù)碼管的p（小數(shù)點）、g、

5、f、e、d、c、b、a各段； scan_en1.8：分別驅(qū)動8個數(shù)碼管數(shù)碼18的掃描顯示控制端 。8/10/202292. 設(shè)計思路建議采用頂層圖形設(shè)計方法，為快速仿真，先不考慮下載時實際使用的系統(tǒng)時鐘是多少，假定這里的輸入時鐘周期為T=1ms。 將整個電路劃分為7個子模塊：時鐘分頻子模塊（兩個）；按鈕消抖電路子模塊；選擇設(shè)置計數(shù)初值對象子模塊；分頻計數(shù)子模塊（關(guān)鍵）；鬧鐘定時和整點報時子模塊（關(guān)鍵） ；數(shù)碼管掃描顯示子模塊；七段碼譯碼器子模塊。8/10/202210頂層圖形文件ecc.bdf （3）選擇設(shè)置計數(shù)初值對象（4）分頻計數(shù)（2）按鈕消抖（1）時鐘分頻8/10/202211頂層圖形文

6、件ecc.bdf（續(xù)） （6）數(shù)碼管掃描顯示（7）七段碼譯碼器（5）鬧鐘定時和整點報時8/10/202212（1）時鐘分頻子模塊 時鐘分頻子模塊有兩個clkdiv1000.v對輸入時鐘（f=1KHz，T=1ms）進(jìn)行1000分頻，獲得1Hz的時鐘，作為分頻計數(shù)子模塊fdiv_cnt.bdf的輸入時鐘。 clkout必須在計夠分頻計數(shù)值后才有一個正跳變，這樣才與實際情況相符！ 8/10/202213（1）時鐘分頻子模塊（續(xù)） clkdiv.v對輸入時鐘（f=1KHz）進(jìn)行250分頻，獲得4Hz的時鐘，作為產(chǎn)生鬧鈴音，以及數(shù)碼管閃爍顯示的時鐘信號；對輸入時鐘進(jìn)行100分頻，獲得10Hz的時鐘，作為

7、設(shè)置計數(shù)初值時按下setn鍵能夠連續(xù)快速加1的時鐘信號。注意：在設(shè)計clkdiv.v時，使輸出時鐘信號clk_4Hz為方波！ 8/10/202214clkdiv.v的仿真波形 8/10/202215（2）按鈕消抖電路子模塊 將按鈕開關(guān)的負(fù)脈沖信號轉(zhuǎn)換為正脈沖信號輸出（其定時寬度至少為500ms，若定時長度選得過短，抖動不能夠完全消除！）。500ms 響應(yīng)pbn信號，signal由“0”變?yōu)椤?”，并保持500ms。8/10/202216（3）選擇設(shè)置計數(shù)初值對象子模塊 功能根據(jù)顯示模式切換信號mode選擇是顯示時間，或是日歷，或是鬧鐘定時；在不同的顯示模式下，當(dāng)按動select，使計數(shù)器sel

8、1.0加1計數(shù)，從而選擇不同的計數(shù)初值對象（如在顯示時間模式下，按動select，則可以選擇是設(shè)置小時，還是設(shè)置分鐘，或是設(shè)置秒）；并根據(jù)顯示模式、sel1.0的值和set產(chǎn)生設(shè)置不同對象計數(shù)初值的時鐘信號。 8/10/202217（3）選擇設(shè)置計數(shù)初值對象子模塊（續(xù)） 整個子模塊可分成4個部分，包括3個always塊和一組assign連續(xù)賦值語句： mode信號控制顯示不同的輸出信號 always (posedge mode) 使選擇設(shè)置對象的計數(shù)器sel2:0加1 always (posedge select or posedge mode) 若長時間按下set鍵，則生成num1信號，用于

9、設(shè)置初值時連續(xù)快速加1 采用連續(xù)賦值語句，根據(jù)計數(shù)器disp_mode1.0 和sel1.0的值以及set確定調(diào)整時間的信號set_hr等的值例：assign set_hr= (disp_mode=0) &(sel=1) & (num1&clk_10Hz)|(!num1&set); 8/10/202218（4）分頻計數(shù)子模塊fdiv_cnt.bdf 總體設(shè)計思路由6個分頻子模塊組成。假定系統(tǒng)時鐘20MHz已被分頻為f=1Hz后送入fdiv_cnt.bdf作為輸入時鐘，則對其逐級分頻計數(shù)，包括秒、分、小時、日，以及周、月和年的計數(shù)。 計數(shù)時均使用了二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制（即BCD碼）計數(shù)并直接顯示。

10、 采用異步計數(shù)方式。選用異步清零方式。 8/10/202219fdiv_cnt.bdf的原理圖 8/10/202220fdiv_cnt.bdf的原理圖（續(xù)） 8/10/202221對日的計數(shù)子模塊功能：對輸入的日時鐘clki進(jìn)行28或31分頻，根據(jù)是否閏年和月份對天計數(shù)，輸出日期；并產(chǎn)生月時鐘信號mon_clk。在計日時，必須考慮當(dāng)前的月份是幾月來確定終值；當(dāng)月份為二月時還要判斷是否為閏年。注意：當(dāng)清零信號有效時，日的初始值為1，而不是0！ 8/10/202222注：關(guān)于閏年、閏日一回歸年的時間為365天5時48分46秒。陽歷把一年定為365天，所余的時間約每4年積累成一天，加在二月里。這樣的

11、方法，在歷法上叫做閏。陽歷四年一閏，在二月末加一天，這一天叫做閏日（leap day）。陽歷有閏日的一年叫做閏年（leap year），這年有366天。所以陽歷平常年份每年365天，二月為28天；閏年為366天，二月為29天。因此，每400年中有97個閏年。2000年2099年間有25個閏年。本實驗中按陽歷計時！陽歷閏年的計算方法：能被4整除、且不能被100整除的年為閏年（如1904年）；能被400整除的年為閏年（如2000年）。不能被4整除的年為平年（如1901年）；能被4整除、也能被100整除的年為平年（如1900年）。 8/10/202223功能：對年計數(shù)，輸出年份；并根據(jù)哪年是閏年產(chǎn)生

12、leapyear信號。關(guān)鍵是對閏年的判斷法，最簡單的方法是求模（%），也可以采用枚舉的方法。注意：如果采用求模的方法，首先要聲明一個二進(jìn)制計數(shù)器（如cnt7:0），將BCD碼轉(zhuǎn)換為真正的十進(jìn)制數(shù)！然后再用cnt7:0模4，求得leapyear，否則leapyear不正確！想一想，為什么？對年計數(shù)子模塊fdivyear.v 8/10/202224功能：對輸入的月時鐘12分頻，即對月計數(shù)，輸出月份；并產(chǎn)生年時鐘信號year_clk。 對月計數(shù)子模塊fdiv12.v 注意：清零后其初值應(yīng)為1而不是0。計數(shù)時必須采用非阻塞賦值語句，否則month在clki有效的第一個值為2，而不是1。 8/10/20

13、2225（5）鬧鐘定時和整點報時子模塊 主要完成功能鬧鐘定時中的小時、分設(shè)置； 在正常計時到鬧鐘設(shè)定值時產(chǎn)生持續(xù)20s的鬧鈴音，若按住set鍵不放，可屏蔽鬧鈴音； 每逢整點，產(chǎn)生“嘀嘀嘀嘀嘟”四短一長的報時音； 當(dāng)按動clr_alarm_set鍵，復(fù)位鬧鐘定時設(shè)置為0點0分。 難點 !8/10/202226輸入信號 clk_4Hz（T=250ms），來自clkdiv.v的輸出，作為鬧鈴功能和整點報時功能的基準(zhǔn)時鐘信號 clk_1KHz（T=1ms），來自clkdiv1000.v的輸出，作為產(chǎn)生鬧鈴音、報時音音調(diào)的時鐘信號 disp_mode 1:0：顯示模式，來自route.v的輸出 sec7

14、:0，min7:0，hour7:0：秒、分鐘和小時的計數(shù)值，來自fdiv_cnt.bdf的輸出 set_ahr，set_amin：設(shè)定鬧鐘定時的時鐘信號，來自route.v的輸出 set：設(shè)置計數(shù)初值信號 8/10/202227輸出信號 amin7:0，ahour7:0：鬧鐘定時計數(shù)器的輸出，送至scan_disp.v alarm：輸出到揚聲器的信號，產(chǎn)生鬧鈴音和報時音 ear：周期為1s，用于產(chǎn)生整點報時音 alarm2：整點報時信號 8/10/202228/ -（1）鬧鐘定時中的小時設(shè)置 always (posedge set_ahr or posedge clr_alarm_set)/-

15、（2）鬧鐘定時中的分設(shè)置always (posedge set_amin or posedge clr_alarm_set)/-（3）鬧鈴功能always (posedge clk_4Hz) /-（4）整點報時功能always (posedge clk_4Hz) /（a）產(chǎn)生ear信號（周期為1s），用于產(chǎn)生整點報時音 always /（b）產(chǎn)生整點報時信號alarm2 assign alarm=(alarm1)? clk_4Hz &clk_1KHz :0) | alarm2; /*（c）產(chǎn)生鬧鈴音或整點報時音。當(dāng)alarm1為1時，每0.25s產(chǎn)生一個音頻為1KHz的鬧鈴音：alarm=cl

16、k_4Hz&clk_1KHz；并持續(xù)20s。*/ 整個子模塊可分成4個部分8/10/202229（6）數(shù)碼管掃描顯示子模塊 功能當(dāng)disp_mode為不同的值3、2、1、0時，分別顯示鬧鐘定時、星期、年月日以及時分秒 。閃爍功能：當(dāng)要手動調(diào)整時間或設(shè)置鬧鐘定時時，選擇了某對象（如時間中的小時）后，所對應(yīng)的數(shù)碼管（數(shù)碼1、數(shù)碼2）閃爍點亮，以表示要對該對象初值進(jìn)行設(shè)置。 注意：數(shù)碼3、6始終不亮，鬧鐘定時只有數(shù)碼1、2、4、5亮，顯示星期只有數(shù)碼1亮。8/10/202230（6）數(shù)碼管掃描顯示子模塊（續(xù)） 設(shè)計思路： 聲明一個reg型變量state2:0作為狀態(tài)機，它有6個狀態(tài)s6s1，分別驅(qū)動

17、串行掃描控制信號scan_en8、scan_en7、scan_en5、scan_en4、scan_en2、scan_en1。當(dāng)state2:0分別為s1、s2、s6時，scan_en8:1分別為128、64、16、8、2、1，使得數(shù)碼管8、7、5、4、2、1分時點亮。 整個程序包括3個部分： / 1. 狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 /注意使數(shù)碼6和數(shù)碼3始終不亮 /采用if-else語句描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移 / 2. 閃爍使能信號賦值 /3. 產(chǎn)生七段碼數(shù)碼管的輸入信號和使能信號 /采用case語句的嵌套，根據(jù)disp_mode和state的值來決定串行掃描數(shù)據(jù)scan_data和掃描控制信號scan_en的值8

18、/10/202231實驗內(nèi)容1. 設(shè)計一個電子日歷和電子時鐘 2. 仿真 對兩個時鐘分頻子模塊clkdiv1000.v和clkdiv.v進(jìn)行仿真 對選擇設(shè)置計數(shù)初值對象子模塊route.v進(jìn)行仿真 對fdiv_cnt.bdf中的幾個主要子模塊進(jìn)行仿真對fdiv_cnt.bdf仿真 重點仿真alarm.v 對數(shù)碼管掃描顯示子模塊scan_disp.v仿真 對ecc.bdf仿真 8/10/2022323. 編程下載 仿真完全正確后，將原頂層圖形設(shè)計文件ecc.bdf另起名保存（如ecc_download.bdf），并在其時鐘輸入引腳后增加一個時鐘分頻模塊clkdiv1ms.v（輸出為對稱方波?。?，將輸入時鐘fclk = 20MHz分頻為f = 1KHz，即T = 1ms； 編譯，再對ecc_download.bdf進(jìn)行引腳鎖定；實驗箱設(shè)置； 下載。 8/10/2022334. 在線校驗驗證檢查步驟 設(shè)置時間初值為02小時1分00秒。 設(shè)置日期初值為04年2月1日，并接著按setn鍵，注意觀察當(dāng)增到2月28日時，再按1次setn鍵，日期將跳為2月29，還是直接跳為3月1日。 設(shè)置星期初值為6。 設(shè)置鬧鐘定時為2點3分。 驗證鬧鐘功能。 驗證清除鬧鐘定時設(shè)置功能。 驗