基于FPGA的数字钟设计.doc

1、基 于 F P G A 的 数 字 钟 设 计 学院：电子信息工程学 院 专业：电子设计自动化 班级：1 班 姓名：XXX 学号：201210525XXX 摘 要 伴随着集成电路技术的发展, 电子设计自动化(EDA)技术逐渐成为数字电路 设计的重要手段。 基于FPGA的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，使得E DA技术在电子信息，通信，自动控制，计算机等领域的重要性日益突出。 本设计给出了一种基于FPGA的多功能数字钟方法，采用EDA作为开发工具， VHDL语言和图形输入为硬件描述语言，QuartusII作为运行程序的平台，编写的 程序经过调试运行，波形仿真验证，下载到EDA实验箱的FP

2、GA芯片，实现了设计 目标。 系统主芯片采用CycloneII系列EP2C35F672C8。采用自顶向下的设计思想， 将系统分为五个模块:分频模块、计时模块、报时模块、显示模块、顶层模块。 用VHDL语言实现各个功能模块, 图形输入法生成顶层模块. 最后用QuartusII软 件进行功能仿真, 验证数字钟设计的正确性。 测试结果表明本设计实现了一个多功能的数字钟功能，具有时、分、秒计 时显示功能，以24小时循环计时；具有校正小时和分钟的功能；以及清零，整 点报时功能。 关键词：EDA 技术；FPGA；数字钟；VHDL 语言；自顶向下 Abstract Accompanied by the de

3、velopment of integrated circuit technology, elec tronic design automation (EDA) technology is becoming an important mea ns of digital circuit design. FPGA EDA technology development and expans ion of application fields and in-depth, the importance of EDA technology i n the field of electronic inform

4、ation, communication, automatic control, co mputer, etc. have become increasingly prominent. This design gives a FPGA-based multifunctional digital clock using ED A as a development tool, VHDL language and graphical input hardware de scription language, the QuartusII as a platform for running the pr

5、ogram, written procedures debugging and running, the waveform simulation down loaded to the FPGA chip to achieve the design goals. The main system chip CycloneII series EP2C35F672C8. Adopted a top dwn design ideas, the system is divided into five modules: frequency mod ule, timing module, timer modu

6、le, display module, the top-level module. W ith VHDL various functional modules, graphical input method to generate t he top-level module. Last QuartusII under simulation, to verify the correct ness of the digital clock design. The test results show that the design of a multifunctional digital cloc

7、k, with seconds time display, 24-hour cycle timing; has a school, cleared, and the whole point timekeeping functions. Key words: EDA technology; FPGA; VHDL language; top-down; digital cloc k 目录 1 绪论 4 1.1 研究背景 .4 1.2 研究目的 .5 1.3 研究方法和内容 .5 2 本软件开发环境 5 2.1 FPGA 简介 5 2.1 .1 FPGA 概述 6 2.1.2 FPGA 基本结构 6

8、 图 2-1 CLB 基本结构 .8 2.1.3 FPGA 系统设计流程 .8 2.1.4 FPGA 开发编程原理 .10 2.2 QuartusII 设计平台 .10 2.2.1 软件开发环境及基本流程 10 2.2.2 软件的具体设计流程 11 3 总体设计方案 .12 3.1 数字钟的硬件构成原理 .12 3.2 软件设计的功能框图和流程框图 .13 4 软件设计与功能实现 15 4.1 分频模块功能的软件设计与实现 .15 4.2 计时校时模块功能的软件设计与实现 .16 4.3 整点报时模块功能的软件设计与实现 .17 4.4 扫描译码显示模块功能的软件设计与实现 .17 4.5 顶

9、层模块功能的软件设计与实现 .18 5 系统功能调试及分析 18 6 结论及展望 19 6.1 结论 .19 6.2 展望 .20 参考文献 22 附录 23 基于 FPGA 的数字钟设计 1 绪论 现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用，而且是产品的性能越来越 强，复杂程度越来越高，更新步伐越来越快。支撑信息电子产品高速发展的基 础就是微电子制造工艺水平的提高和电子产品设计开发技术的发展。前者以微 细加工技术为代表，而后者的代表就是电子设计自动化（electronic design a utomatic,EDA）技术。 ASIC 是专用的系统集成电路，是一种带有逻辑处理的加速处理器。而 F

10、PGA 是特殊的 ASIC 芯片，与其他的 ASIC 芯片相比，它具有设计开发周期短、设计 制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检 测等优点。本设计采用的 VHDL 语言是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的 描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计 ；支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述、覆盖面广、抽象能力强 ，因此在实际应用中越来越广泛。 数字化的钟表给人们带来了极大的方便。近些年，随着科技的发展和社会 的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求 。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化

11、，有电子闹钟、数 字闹钟等等。而基于FPGA的数字钟设计能极大的扩展其功能。 1.1 研究背景 当今电子产品正向功能多元化,体积最小化,功耗最低化的方向发展。它与 传统的电子产品在设计上的显著区别是大量使用大规模可编程逻辑器件，使产 品的性能提高，体积缩小，功耗降低。同时广泛运用现代计算机技术，提高产 品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期。EDA 技术正是为了适应现代电子技 术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。 EDA 是电子设计自动化（Elcctronic Design Automation）的缩写，是 90 年代初从 CAD（计算机辅助设备） ，CAM(计算机辅助制造)，

12、CAT（计算机辅助测 试）和 CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA 技术是以计算机为工具 ，根据硬件描述语言 VHDL 完成设计文件，自动的完成逻辑编译，化简，分割， 综合及优化，布局布线，仿真以及对特定目标芯片的适配编译和编程下载等工 作。典型的 EDA 工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器， 综合器的功能就是将设计者在 EDA 平台上完成的针对某个系统项目的 VHDL 原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译，优化，转换和 综合，最终获得我们将实现的功能的描述文件。综合器在工作前，必须给定要 实现的硬件结构参数，它的功能就是将软件描述与给定的硬件结构用

13、一定的方 式联系起来，也就是说综合器是软件描述与硬件实现的一座桥梁。综合过程就 是将电路的高级语言描述转换成低级的，可与目标器件 CPLD 相映射的网表文件 。适配器的功能是将由综合器产生的网表文件配置与指定的目标器件中，产生 最终的下载文件。适配器所选的目标器件（CPLD 芯片）必须包含于在综合器中 已指定的目标器件系列。 本次数字钟设计利用 VHDL 硬件描述语言和图形输入相结合的编程方式，并 通过可编程逻辑器件 FPGA 进行硬件设计，用 LED 数码管动态显示计时结果。数 字钟可以由各种技术实现，如单片机等。利用可编程逻辑器件具有其他方式没 有的特点，它具有成功率高，理论与实践结合紧密

14、，体积小，容量大，I/O 口 丰富，易编程和加密等特点，并且它还具有开放的界面，丰富的设计库，模块 化的工具等优良性能，应用非常方便。因此，本设计采用可编程逻辑器件 FPGA 来实现。 1.2 研究 目的 现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发 展更是日新月异。可以说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改 变我们的生活，改变着我们的世界。 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表 原先的报时功能。诸如定时自动报警、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动 力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基 础的。因此，研究数

15、字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 1.3 研究方法和内容 本设计主要研究基于 FPGA 的数字钟，采用 EDA 作为开发工具，VHDL 语言 和图形输入为硬件描述语言，采用自顶向下的设计思想，QuartusII 软件作为 运行程序的平台。设计的数字钟时间以 24 小时为一个周期,用 LED 数码管动态 显示时、分、秒。具有清零和整点报时功能，可以对小时，分钟进行单独校对 ，使其校正到标准时间。校对时间由按键进行控制，为了保证计时的稳定及准 确，须由晶体振荡器提供时间基准信号并经分频得到。 2.本软件开发环境 2.1 FPGA 简介 2.1.1 FPGA 概述 FPGA是现场可编程门阵列(

16、Field Programmable Gate Array)的简称， 与之相应的CPLD是复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device) 的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，有时可以忽略这两者 的区别，统称为可编程逻辑器件CPLD/FPGA。CPLD/FPGA几乎能完成任何数字器 件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路。它如同一张白纸或是一堆积木 ，工程师可以通过传统的原理图输入或硬件描述语言自由的设计一个数字系统 。通过软件仿真可以事先验证设计的正确性，在PCB完成以后，利用CPLD/FPGA 的在线修改功能，随时修改设计而不必

17、改动硬件电路。使用CPLD/FPGA开发数字 电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。这些优点使 得CPLD/FPGA技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA 软件和硬件描述语言VHDL的进步。 2.1.2 FPGA 基本结构 FPGA具有掩膜可编程门阵列的通用结构，它由逻辑功能块排成阵列，并由 可编程的互连资源连接这些逻辑功能块来实现不同的设计。 FPGA一般由3种可编程电路和一个用于存放编程数据的静态存储器SRAM组成 。这3种可编程电路是：可编程逻辑模块（CLB-Configurable Logic Block） 、输入/输出模块（IOB-I

18、/O Block）和互连资源（IRInterconnect Resourc e）。可编程逻辑模块CLB是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则的排列成 一个阵列，散布于整个芯片；可编程输入/输出模块（IOB）主要完成芯片上的 逻辑与外部封装脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源包括各 种长度的连接线段和一些可编程连接开关，它们将各个CLB之间或CLB、IOB之间 以及IOB之间连接起来，构成特定功能的电路。 1. CLB是FPGA的主要组成部分。图1是CLB基本结构框图，它主要由逻辑函 数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。CLB中3个逻辑函数发生器分别是G 、F和H，相应的输出是G

19、 、F和H 。G有4个输入变量G1、G2、G3和G4；F也有4 个输入变量F1、F2、F3和F4。这两个函数发生器是完全独立的，均可以实现4输 入变量的任意组合逻辑函数。逻辑函数发生器H有3个输入信号；前两个是函数 发生器的输出G和F ，而另一个输入信号是来自信号变换电路的输出H1。这个 函数发生器能实现3输入变量的各种组合函数。这3个函数发生器结合起来，可 实现多达9变量的逻辑函数。 CLB中有许多不同规格的数据选择器（四选一、二选一等），通过对CLB内 部数据选择器的编程，逻辑函数发生器G、F和H的输出可以连接到CLB输出端X或 Y，并用来选择触发器的激励输入信号、时钟有效边沿、时钟使能信

20、号以及输出 信号。这些数据选择器的地址控制信号均由编程信息提供，从而实现所需的电 路结构。 CLB中的逻辑函数发生器F和G均为查找表结构，其工作原理类似于ROM。F和 G的输入等效于ROM的地址码，通过查找ROM中的地址表可以得到相应的组合逻辑 函数输出。另外，逻辑函数发生器F和G还可以作为器件内高速RAM或小的可读写 存储器使用，它由信号变换电路控制。 2. 输入/输出模块IOB。IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接。 它主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成。 每个 IOB 控制一个引脚，它们可被配置为输入、输出或双向 I/O 功能。当 IOB 控制的引脚被

21、定义为输入时，通过该引脚的输入信号先送入输入缓冲器。缓冲 器的输出分成两路：一路可以直接送到 MUX，另一路延时几个纳秒（或者没有 延时）后送到输入通路 D 触发器，再送到数据选择器。通过编程给数据选择器 不同的控制信息，确定送至 CLB 阵列的 I1 和 I2 是来自输入缓冲器，还是来自 触发器。 当IOB控制的引脚被定义为输出时，CLB阵列的输出信号OUT也可以有两条传 输途径：一条是直接经MUX送至输出缓冲器，另一条是先存入输出通路D触发器 ，再送至输出缓冲器。 IOB输出端配有两只MOS管，它们的栅极均可编程，使MOS管导通或截止，分 别经上拉电阻接通VCC、地线或者不接通，用以改善输

22、出波形和负载能力。 3. 可编程互连资源IR。可编程互连资源IR可以将FPGA内部的CLB和CLB之间 、CLB和IOB之间连接起来，构成各种具有复杂功能的系统。IR主要由许多金属 线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接 。 可编程开关矩 输入输出模块 互连资源 CLB CLB CLB CLB CLB CLB B CLB CLB CLB CLB 矩 CLB CLB CLB 块 CLB CLB CLB B CLB CLB CLBCLB CLB CLB 图2-1 CLB基本结构 2.1.3 FPGA 系统设计流程 一般说来，一个比较大的完整的项目应该采用层次化的描述方

23、法：分为几 个较大的模块，定义好各功能模块之间的接口，然后各个模块再细分去具体实 现，这就是自顶向下的设计方法。目前这种高层次的设计方法已被广泛采用。 高层次设计只是定义系统的行为特征，可以不涉及实现工艺，因此还可以在厂 家综合库的支持下，利用综合优化工具将高层次描述转换为针对某种工艺优化 的网络表，使工艺转化变得轻而易举。 CPLD/FPGA系统设计的工作流程如图2.2所示。 流程说明： 1.工程师按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。 2.输入VHDL代码，这是设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图 形输入方式，这种输入方式具有直观、容易理解的优点。 3.将以上的设计输入编译成标准

24、的VHDL文件。 4.进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性。这一步骤 适用于大型设计，因为对于大型设计来说，在综合前对源代码仿真，就可以大 大减少设计重复的次数和时间。一般情况下，这一仿真步骤可略去。 5.利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网络表文 件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片 供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库的支持 下才能完成。 6.利用产生的网络表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器 件的硬件特性，是较为粗略的。一般的设计，也可略去这一步骤。 7.利用适配器将综合后的

25、网络表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映 射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。 8.在适配完成后，产生多项设计结果：a.适配报告，包括芯片内部资源利 用情况，设计的布尔方程描述情况等；b.适配后的仿真模型；c.器件编程文件 。根据适配后的仿真模型，可以进行适配后时序仿真，因为已经得到器件的实 际硬件特性（如时延特性），所以仿真结果能比较精确的预期未来芯片的实际 性能。如果仿真结果达不到设计要求，就修改VHDL源代码或选择不同速度和品 质的器件，直至满足设计要求。 最后将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片C PLD/FPGA中。 图 2-2 CPLD

26、/FPGA 系统设计流程 系统划分 编译器 代码级功能仿真 综合器 适配前时序仿真 适配器 CPLD/FPGA 实现 适配后仿真模型 适配后时序仿真 适配报告 ASIC 实现 VHDL 代码或图形方式输入 仿真综合库 器件编程文件 2.1.4 FPGA 开发编程原理 硬件设计需要根据各种性能指标、成本、开发周期等因素，确定最佳的实 现方案，画出系统框图，选择芯片，设计PCB并最终形成样机。 CPLD/FPGA软件设计可分为两大块：编程语言和编程工具。编程语言主要是 VHDL硬件描述语言；编程工具主要是两大厂家Altera和Xilinx的集成综合EDA软 件QuartusII以及第三方工具。具体

27、的设计输入方式有以下几种： 1.VHDL语言。VHDL既可以描述底层设计，也可以描述顶层的设计，但它不 容易做到较高的工作速度和芯片利用率。用这种方式描述的项目最后所能达到 的性能与设计人员的水平、经验以及综合软件有很大的关系。 2.图形方式。可以分为电路原理图描述，状态机描述和波形描述3种形式。 电路原理图方式描述比较直观和高效，对综合软件的要求不高。一般大都使用 成熟的IP核和中小规模集成电路所搭成的现成电路，整体放到一片可编程逻辑 器件的内部去，其硬件工作速度和芯片利用率很高，但是当项目很大时，该方 法就显得有些繁琐；状态机描述主要用来设计基于状态机思想的时序电路。在 图形的方式下定义好

28、各个工作状态，然后在各个状态上输入转换条件以及相应 的输入输出，最后生成HDL语言描述，送去综合软件综合到可编程逻辑器件的内 部。由于状态机到HDL语言有一种标准的对应描述方式，所以这种输入方式最后 所能达到的工作速度和芯片利用率主要取决于综合软件；波形描述方式是基于 真值表的一种图形输入方式，直接描述输入与输出的波形关系。 2.2 QuartusII 设计平台 2.2.1 软件开发环境及基本流程 本设计所用软件主要是 QuartusII，在此对它做一些介绍。 QuartusII 是 Altera 提供的 FPGA/CPLD 开发集成环境，Altera 是世界上最 大的可编程逻辑器件供应商之一

29、。QuartusII 提供了一种与结构无关的设计环 境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。 Altera 公司的 QuartusII 开发工具人机界面友好、易于使用、性能优良， 并自带编译、仿真功能。QuartusII 软件完全支持 VHDL 设计流程，其内部嵌有 VHDL 逻辑综合器。QuartusII 也可以利用第三方的综合工具，如 FPGA Compile r II，并能直接调用这些工具。同样，QuartusII 具备仿真功能，同时也支持 第三方的仿真工具。此外，QuartusII 与 MATLAB 和 DSP Builder 结合，可以进 行基于 FPGA 的 DSP

30、系统开发，是 DSP 硬件系统实现的关键 EDA 技术。 QuartusII 包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析/综合器、 适配器、装配器、时序分析器、设计辅助模块、EDA 网表文件生成器、编辑数 据接口等。可以通过选择 Start Compilation 来运行所有的编译器模块，也可 以通过选择 Start 单独运行各个模块。在 Compiler Tool 窗口中，可以打开该 模块的设置文件或报告文件，或者打开其它相关窗口。在设计输入之后，Quart usII 的编译器将给出设计输入的错误报告。QuartusII 拥有性能良好的设计错 误定位器，用于确定文本或图形设计中的错误。在

31、进行编译后，可对设计进行 时序仿真。在仿真前，需要利用波形编辑器编辑一个波形激励文件。编译和仿 真检测无误后，便可将下载信息通过 QuartusII 提供的编程器下载入目标器件 中了。 2.2.2 软件的具体设计流程 1.建立工作库文件夹和编辑设计文件 首先建立工作库目录，以便存储工程项目设计文件。 任何一项设计都是一项工程（Project） ，都必须首先为此工程建立一个放 置与此工程相关的所有设计文件的文件夹。此文件夹将被 EDA 软件默认为工作 库。一般来说，不同的设计项目最好放在不同的文件夹中，而同一工程的所有 文件都必须放在同一文件夹中。 2.创建工程 使用 New Project W

32、izard 可以为工程指定工作目录、分配工程名称以及指 定最高层设计实体的名称，还可以指定要在工程中使用的设计文件、其它源文 件、用户库和 EDA 工具，以及目标器件系列和具体器件等。 3.编译前设置 在对工程进行编译处理前，必须做好必要的设置。步骤如下： a.选择 FPGA 目标芯片 b.选择配置器件的工作方式 c.选择配置器件和编程方式 d.选择输出设置 e.选择目标器件闲置引脚的状态 4.全程编译 QuartusII 编译器是由一系列处理模块构成的，这些模块负责对设计项目 的检错、逻辑综合、结构综合、输出结果的编辑配置，以及时序分析。在这一 过程中，将设计项目适配到 FPGA 目标器中，

33、同时产生多种用途的输出文件。编 译器首先检查出工程设计文件中可能的错误信息，供设计者排除。然后产生一 个结构化的以网表文件表达的电路原理图文件。 如果编译成功，可以见到工程管理窗口左上角显示了工程（例如工程 div ）的层次结构和其中结构模块耗用的逻辑宏单元数；在此栏下是编译处理流程 ，包括数据网表建立、逻辑综合、适配、配置文件装配和时序分析等；最下栏 是编译处理信息；中栏式编译报告项目选择菜单，单击其中各项可以详细了解 编译与分析结果。 5.时序和功能仿真 工程编译通过后，必须建立 VWF 文件对其功能和时序性质进行仿真测试， 以了解设计结果是否满足原设计要求。可以自己设置输入信号，再由功能

34、仿真 出输出信号。这能在软件上实现硬件的功能，大大提高了硬件电路调试成功率 。 6.编程下载 编程下载指将编程数据放到具体的可编程器件中去。如果以上所有的过程 都没有发现问题，即满足设计要求，就可以将适配器产生的配置/下载文件通过 FPGA 编程器或下载电缆载入目标芯片 FPGA 中。对 FPGA 来说就是将数据文件“ 配置”到 FPGA 中去。 3 总体设计方案 3.1 数字钟的硬件构成原理 数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的 起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准 的 1HZ 时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电

35、路构成数字钟 。图 3-1 所示为数字钟的一般构成框图。主要包括晶振电路、复位电路、按键 电路、译码扫描和显示电路、报时电路。 按键电路 复位电路 LED 数码管显示电路 LED 数码管译 码电路 LED 数码管扫 描电路 FPGA 图 3-1 数字钟硬件构成框图 晶振电路产生稳定的 10MHZ 的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，然 后经过软件分频 10000 次输出标准秒脉冲 1HZ。秒计数器满 60 后向分计数器进 位，分计数器满 60 后向小时计数器进位，小时计数器按照“24 翻 1”规律计数 。计满后各计数器清零，重新计数。计数器的输出分别经译码器送数码管显示 。计 时出 现误 差

36、时 ，可以用校时电路校时、校分。在控制信号中除了一般的校时信号外，还有时 钟清零信号，可以使数字钟复位清零。控制信号由 3 个按键 S1、S2、S3 输入， 分别实现校时、校分、复位清零功能。扫描译码显示电路由七段译码器完成， 显示由 8 位数码管构成。 3.2 软件设计的功能框图和流程框图 软件设计采用模块化思想和自顶向下的设计方法。用 VHDL 语言分别编写分频 模块，计时校时模块，报时模块和显示模块的程序。并将这些设计好的工程文 件分别生成模块符号文件作为自己的功能模块符号在顶层调用。再用图形输入 的方法设计顶层模块，将模块符号文件放置到工作区，进行模块符号间的连线 。编写好顶层模块后，

37、进行编译仿真，下载到 FPGA 芯片，就能在实验箱上完成 数字钟的功能。FPGA 功能模块框图和整个数字钟系统的软件流程框图如下。 顶 层 模 块 晶振电路 整点报时电路 顶 层 模 块顶 层 模 块顶 层 模 块 图 3-2 数字钟功能模块框图 报时 模块 译码 扫描 显示 模块 计时 校时 模块 分频 模块 初始化 数字钟计时 数字钟清零 整点报时 LED 扫描译码显 示 是否有复位信 号 是否有校时信 号 是否整点 开始 Y N Y N Y N 3-3 数字钟软件流程框图 4 软件设计与功能实现 4.1 分频模块功能的软件设计与实现 晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，晶振的稳定度及频率的

38、精度决定了 数字钟计时的准确程度，它保证了时钟的走时准确及稳定。 石英晶体的选频特性非常好，只有某一频率点的信号可以通过它，其它频 率段的信号均会被它所衰减，而且，振荡信号的频率与振荡电路中的R、C元件 的数值无关。因此，这种振荡电路输出的是准确度极高的信号。然后再利用分 频电路，将其输出信号转变为秒信号，其组成框图如图4-1。 图 4-1 秒信号产生电路框图 本系统使用的晶振电路给数字钟提供一个频率稳定准确的 10MHz 的方波信号， 其输出至分频电路。分频模块的逻辑框图如图 4-2 所示。经分频后输出 1HZ 的 标准秒信号 CLK1HZ,用于秒信号，校时电路和报时电路。 图 4-2 分频

39、模块的逻辑框图 结束 分频电路 石英晶体 振荡电路 秒信号秒信号 4.2 计时校时模块功能的软件设计与实现 时间计数模块由60进制的秒计数，60进制的分计数和24进制的小时计数分 别实现。当数字钟处于正常计数状态时,秒计数器对1Hz 的标准信号进行计数, 在其进位输出信号作为分计数器的使能端,而分计数器的进位输出信号又作为时 计数器的使能端。 数字钟除了正常计时外,通过两个按键S1，S2分别实现对小时、分钟的调整 。这两个按键的作用,就是用来产生时计数器、分计数器的另一路使能信号按键 使能信号.由于它们的基准信号都是1Hz ,故有按键使能信号时,它们会迅速增加,达 到调整时间的目的。下面给出计

40、时校时模块的逻辑框图如图4-3。 图4-3 计时校时模块的逻辑框图 4.3 整点报时模块功能的软件设计与实现 整点报时模块是根据秒、分的输出数值,与程序设定的时间作比较,当时间 为 59 分 55 秒、56 秒、57 秒、58 秒、59 秒时,整点报时模块的 LED 灯控制 信号有输出，LED 灯闪烁。下面给出整点报时模块的逻辑框图 4-4。 图 4-4 整点报时模块的逻辑框图 4.4 扫描译码显示模块功能的软件设计与实现 动态扫描电路将计数器输出的 8421BCD 码转换为数码管需要的逻辑状态， 并且输出数码管的片选信号和位选信号。所谓动态扫描显示方式是在显示某一 位 LED 显示块的数据的

41、时候，让其它位不显示，然后在显示下一位的数据，同 时关闭其他显示块。这样做可以使每一个显示块显示与自己相对应的数据。只 要保证每一位显示的时间间隔不要太大，利用人眼的视觉暂留的现象，就可以 造成各位数据同时显示的假象。 显示译码电路，选择八位七段数码管作为显示单元电路。计数器实现了对 时间的累计并以8421BCD码的形式输送到动态扫描模块，由译码电路将8421BCD 码转换为七段码，再由数码管显示出来。下面给出扫描译码显示模块的逻辑框 图4-5。 图 4-5 扫描译码显示模块的逻辑框图 4.5 顶层模块功能的软件设计与实现 将分频模块，计时校时模块，报时模块和显示模块创建的符号文件在新建 的顶

42、层模块图形编辑文件中调用，进行模块符号间的连线，设置输入，输出引 脚。编写好顶层模块后，进行编译仿真，验证程序的正确性。下面给出顶层模 块的逻辑框图4-6。 图4-6 顶层模块的逻辑框图 5 系统功能调试及分析 本 系 统 只 含 有 FPGA 自 编 程 硬 件 设 计 电 路 ， 整 个 系 统 比 较 简 单 。 因 此 在 系 统 调 试 中 采 用 自 低 向 上 的 调 试 方 法 ， 也 就 是 先 进 行 各 个 单 元 模 块 的 软 件 编 译 ， 在 各 个 单 元 模 块 调 试 好 后 再 把 各 个 单 元 模 块 综 合 起 来 进 行 系 统 的 整 体 的 编

43、 译 和 功 能 仿 真 。 数 字 钟 系 统 的 整 体 功 能 仿 真 波 形 图 如 下 图 5。 功 能 仿 真 无 误 后 ， 通 过 下 载 电 缆 将 设 计 文 件 加 载 到 目 标 器 件 FPGA， 通 过 控 制 按 键 观 察 LED 显 示 是 否 达 到 数 字 钟 的 设 计 要 求 。 图 5 数 字 钟 系 统 的 整 体 功 能 仿 真 波 形 图 6 结论及展望 6.1 结论 本文提出了一种基于 FPGA 的数字钟设计方案，从硬件和软件两个方面详 细地介绍了设计思想和过程，最终设计出了数字钟，将设计程序加载到实验箱 上运行调试后，时、分、秒能够正常计数

44、，并能由控制键分别校正时、分的显 示，整点报时功能正常。最终结果与预期效果一致，完成了预期的设计任务。 论文取得了如下结果： 1.采用了 FPGA 芯片 CycloneII 系列 EP2C35F672C8 作为核心器件。设计的 数字钟系统的硬件电路，能够完成数字钟的校时，计时，报时，显示等实时任 务。 2.运用自顶向下的思想。将整个系统分成几个模块分别设计，再用顶层模 块块将它们联系起来，实现数字钟整体的功能，降低了系统设计的难度。 3.采用了 VHDL 语言为主，图形输入为辅的编程方法。优点是编程方法灵 活，而且编写的程序具有很好的移植性，同样适用于其他 FPGA 芯片的数字钟 设计。 4.

45、采用 QuartusII 软件进行编译和仿真，可以不管硬件而先进行软件的仿 真，并能根据仿真结果分析设计存在的问题和缺陷，从而进行程序的调试和完 善，这大大的提高了编程的成功率。 6.2 展望 虽然数字钟的设计取得了一定的进展，但是在某些方面还存在着很多不足 ，比如数字钟的功能还不够强大，计时和校时的精度还有待提高等。 今后需要进一步进行的研究工作和内容： 1.实现数字钟微秒位的计时显示，扩展数字钟的功能，实现时、分、秒和 分、秒、微秒有选择的分别显示。并能实现秒位的校正。 2.实现定时报时功能，可随意设置报时时间，而不是在整点时报时，增加 其实用性。 3.提高计时精度。通过按键校正时间时，由

46、于器件对信号的延时，会产生 一定的误差。可以进一步通过软件实现按键消抖，提高整个数字钟系统的计时 精度。 参考文献 1 廖日坤，CPLD/FPGA 嵌入式应用开发技术白金手册，中国电力出版社， 2003，212-218。 2 王开军 ,姜宇柏，面向CPLD/FPGA 的VHDL 设计,机械工业出版社,2006，28- 65。 3 赵保经，中国集成电路大全，国防工业出版社,1985。 4 高吉祥，电子技术基础实验与课程设计，电子工业出版社，2002。 5 吕思忠，数子电路实验与课程设计，哈尔滨工业大学出版社，2001。 6 赵志杰，集成电路应用识图方法，机械工业出版社，2003，35-40。 7

47、 张庆双，电子元器件的选用与检测，机械工业出版社，2003。 8 谭会生，张昌凡，EDA 技术及应用，西安电子科技大学出版社,2002。 9 李可，数字钟电路及应用M ，北京:电子工业出版社，1996。 附录 数字钟子模块程序 1.分频模块 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity FP is port(clk: in std_logic; clk1HZ: out std_logic ); end FP; arc

48、hitecture behave of FP is signal clk_count1: std_logic_vector(13 downto 0); begin process(clk) begin if(clkevent and clk=1)then if(clk_count110000)then clk_count1=clk_count1+1; else clk_count1=“00000000000001“; end if; end if; end process; clk1HZ=clk_count1(13); END BEHAVE; 2.计时校时模块 library ieee; us

49、e ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity JS is port(clkHZ: in std_logic; clk: in std_logic; rst: in std_logic; s1, s2: in std_logic; sec1,sec10,min1,min10,hour1,hour10: BUFFER INTEGER ); end JS; architecture behave of JS is BEGIN process(clkHZ,rst) begin if(rst=0) then sec1=0;sec10=0; min1=0;min10=0; hour1=0;hour10=0; elsif(clkHZevent and clkHZ=1)then if(s1=0) then if(hour1=9) then hour1=0; hour10=hour10+1; elsif(hour10=2 and hour1=3)then hour1=0;hour10=0; else hour1=hou