基于VHDL的数字钟设计.doc

安徽工业经济职业技术学院毕业论文（设计）题 目： 基于VHDL的数字钟设计 系 别：电子信息技术系专 业：电子信息工程技术学 号：201254427学生姓名：王翀指导教师：王俊职 称：二一四年 五月 月 十三 日【摘要】 20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较为先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。 EDA技术在电子系统设计领域越来越普及，本设计主要利用VHDL语言在EDA平台上设计一个电子数字钟， 【关键词】数字钟 EDA VHDL语言 目录摘要：. 1 关键词：. 1 绪论.31.设计目的 . 4 2.设计内容 .4 3.设计原理 .43.1数字钟的基本工作原理.43.2数字钟设计的电路原理图.6.4.单元模块的设计.64.1秒计数器的模块.64.2分计数器的模块.84.3时计数器的模块.104.4整点报时器模块.124.5调时调分模块.134.6 LED显示译码器模块.15 5.仿真结果.17.结语. 17参考文献 . 18 绪论 是电子设计自动化（lcctronic 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)，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HDL完成的设计文件，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，这种将设计实体内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的。其优点是：与其它硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而解决了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言，强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证；VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能和可行性，及时可对设计进行。它的计时周期为24小时，显示满刻度为24时59分59秒，另外还具有校时功能和闹钟功能。总的程序由几个各具不同功能的单元模块程序拼接而成，其中包括分频程序模块、时分秒计数和设置程序模块、比较器程序模块、三输入数据选择器程序模块、译码显示程序模块和拼接程序模块。并且使用QUARTUS II软件进行电路波形仿真，下载到EDA实验箱进行验证。 1.设计目的 1）熟练地运用数字系统的设计方法进行数字系统设计； 2）能进行较复杂的数字系统设计； 3）按要求设计一个数字钟。 2.设计内容 1）要求显示秒、分、时，显示格式如下： 图显示格式2）可清零、可调时，具有整点报时功能。3.设计原理 3.1数字钟的基本工作原理： 数字钟以其显示时间的直观性、走时准确性作为一种计时工具，数字钟的基本组成部分离不开计数器， 在控制逻辑电路的控制下完成预定的各项功能。数字钟的基本原理方框图： 数字钟实现原理框图1）时钟计数：完成时、分、秒的正确计时并且显示所计的数字；对秒、分 60进制计数，即从0到59循环计数，时钟24进制计数，即从0到23循环计数，并且在数码管上显示数值。 2）时间设置：手动调节分钟、小时，可以对所设计的时钟任意调时间，这样使数字钟真正具有使用功能。我们可以通过实验板上的键7和键4进行任意的调整，因为我们用的时钟信号均是1HZ的，所以每LED灯变化一次就来一个脉冲，即计数一次。 3）清零功能：reset为复位键，低电平时实现清零功能，高电平时正常计数。可以根据我们自己任意时间的复位。 4）蜂鸣器在整点时有报时信号产生，蜂鸣器报警。产生“滴答.滴答”的报警声音。 5）LED灯在时钟显示时有花样显示信号产生。即根据进位情况，LED不停的闪烁，从而产生“花样”信号。 根据总体方框图及各部分分配的功能可知，本系统可以由秒计数器、分钟计数器、小时计数器、整点报时、分的调整以及小时的调整和一个顶层文件构成。采用自顶向下的设计方法，子模块利用VHDL语言设计，顶层文件用原理图的设计方法。显示：小时采用数字时钟 控制单元 时调整 分调整 使能端信号 CLK信号 时显示 分显示 秒显示 24进制 60进制 60进制 LED显示 整点报时 花样显示 24进制，而分钟均是采用6进制和10进制的组合。3.2数字钟设计的电路原理图 24进制数字钟的电路图4.单元模块的设计4.1.秒计数器模块 LIBRARY ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; ENTITY second IS PORT( clk,reset,setmin:IN STD_LOGIC; enmin:OUT STD_LOGIC; daout:out std_logic_vector(6 downto 0); END entity second; ARCHITECTURE fun OF second IS SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0); SIGNAL enmin_1,enmin_2:STD_LOGIC; -enmin_1为59秒时的进位信号 BEGIN daout<=count; -enmin_2由clk调制后的手动调分脉冲信号串 enmin_2<=(setmin and clk); -setmin为手动调分控制信号，高电平有效 enmin<=(enmin_1 or enmin_2); -enmin为向分进位信号 process(clk,reset,setmin) begin if(reset=0) then count<="0000000" -若reset为0，则异步清零 elsif(clkevent and clk=1)then -否则，若clk上升沿到 if(count(3 downto 0)="1001")then -若个位计时恰好到“1001”即9 if(count<16#60#)then -又若count小于16#60#，即60H if(count="1011001")then -又若已到59D enmin_1<=1;count<="0000000" -则置进位为1及count复0 else count<=count+7; -未到59D，则加7，而+7=+1+6,则作“加6校正” end if; else -若count不小于16#60#（即count等于或大于16#60#） count<="0000000" -count复0 end if; -end if（count<16#60#） elsif(count<16#60#)then -若个位计数未到“1001”则转此句再判 count<=count+1; -若count<16#60#则count加1 enmin_1<=0 after 100 ns; -则没有发生进位 else end if; end if; end process; end fun 编译过程：仿真图如下：4.2分计数器模块 LIBRARY ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; ENTITY minute IS PORT( clk,clk1,reset,sethour:IN STD_LOGIC; enhour:OUT STD_LOGIC; daout:out std_logic_vector(6 downto 0); END entity minute; ARCHITECTURE fun OF minute IS SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0); SIGNAL enhour_1,enhour_2:STD_LOGIC; BEGIN daout<=count; enhour_2<=(sethour and clk1); enhour<=(enhour_1 or enhour_2); process(clk,reset,sethour) begin if(reset=0)then count<="0000000" -若reset=0，则异步清零 elsif(clkevent and clk=1)then -否则，若clk上升沿到 if(count(3 downto 0)="1001")then -若个位计时恰好到“1001”即9 if(count<16#60#)then -又若count小于16#60#，即60if(count="1011001")then -又若已到59D enhour_1<=1; -则置进位为1count<="0000000" -count复0 ELSE count<=count+7; -若count未到59D，则加7，即作“加6校正” end if; -使前面的16#60#的个位转变为8421BCD的容量 else count<="0000000" -count复0（有此句，则对无效状态电路可自启动） end if; elsif(count<16#60#)then count<=count+1; -若count<16#60#则count加1 enhour_1<=0after 100 ns; -没有发生进位 else count<="0000000" -否则，若count不小于16#60#count复0 end if; end if; end process; END fun; 编译过程：仿真图如下：4.3.时计数器模块 LIBRARY ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; ENTITY hour IS PORT( clk,reset:IN STD_LOGIC; daout:out std_logic_vector(5 downto 0); END entity hour; ARCHITECTURE fun OF hour IS SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(5 downto 0); BEGIN daout<=count; process(clk,reset) begin if(reset=0)then count<="000000" -若reset=0，则异步清零 elsif(clkevent and clk=1)then -否则，若clk上升沿到 if (count(3 downto 0)="1001")then -若个位计时恰好到1001即9 if(count<=16#23#)then -23进制 count<=count+7; -若到23D则 else count<="000000" -复0 end if; elsif(count<16#23#)then -若未到23D，则count进1 count<=count+1; else -否则清零 count<="000000" end if; end if; end process; END fun; 编译过程：仿真图如下：4.4.整点报时器模块 LIBRARY ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; ENTITY alert IS PORT( clk:IN STD_LOGIC; dain:IN STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0); speak:OUT STD_LOGIC; lamp:OUT STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0); END alert; ARCHITECTURE fun OF alert IS signal coun:std_logic_vector (1 downto 0); signal count1:std_logic_vector (1 downto 0); BEGIN speaker:process(clk) begin speak<=count1(1); if(clkevent and clk=1)then if(dain="0000000")then if(count1>="10")then count1<="00" -count1为三进制加法计数器 else count1<=count1+1; end if; end if; end if; end process speaker; lamper:process(clk) begin if(rising_edge(clk)then if(coun<="10")then if(coun="00")then lamp<="001" -循环点亮三只灯 elsif(coun="01")then lamp<="010" elsif(coun="10")then lamp<="100" end if; coun<=coun+1; else coun<="00" end if; end if; end process lamper; END fun; 编译过程：仿真图如下：4.5调时调分模块 LIBRARY ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; use ieee.std_logic_arith.all; ENTITY seltime IS PORT( clk1,reset:IN STD_LOGIC; sec,min:IN STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0); hour:in std_logic_vector(5 downto 0); daout:OUT STD_LOGIC_vector(3 downto 0); dp:OUT std_LOGIC; sel:out std_logic_vector(2 downto 0); END seltime; ARCHITECTURE fun OF seltime IS SIGNAL count:STD_LOGIC_vector(2 downto 0); BEGIN sel<=count; process(clk1,reset) begin if(reset=0)then count<="000" elsif(clk1event and clk1=1)then if(count>="101")then count<="000" else count<=count+1; end if; end if; case count is when"000"=>daout<=sec(3 downto 0);dp<=0; when"001"=>daout(3)<=0;daout(2 downto 0)<=sec(6 downto 4);dp<=0; when"010"=>daout<=min(3 downto 0);dp<=1; when"011"=>daout(3)<=0;daout(2 downto 0)<=min(6 downto 4);dp<=0; when"100"=>daout<=hour(3 downto 0);dp<=1; when others=>daout(3 downto 2)<="00" daout(1 downto 0)<=hour(5 downto 4);dp<=0; end case; end process; end fun; 编译过程：仿真图如下：4.6.LED显示译码器模块 LIBRARY ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; ENTITY deled IS PORT(num:IN std_logic_vector(3 downto 0); led:OUT std_logic_vector(6 downto 0); end deled; ARCHITECTURE fun OF deled IS BEGIN led<="1111110"when num="0000"else "0110000"when num="0001"else "1101101"when num="0010"else "1111001"when num="0011"else "0110011"when num="0100"else "1011011"when num="0101"else "1011111"when num="0110"else "1110000"when num="0111"else "1111111"when num="1000"else "1111011"when num="1001"else "1110111"when num="1010"else "0011111"when num="1011"else "1001110"when num="1100"else "0111101"when num="1101"else "1001111"when num="1110"else "1000111"when num="1111" END fun;编译过程：仿真图如下：5.仿真结果 下图是最后仿真的结果，但是总是无法选中芯片，都是000，得不到正确的结果。可能的原因是FPGA的时钟输出为20MHZ，经过分频器得到1KHZ和1HZ的频率需要多次的计数，由于计数值太大无法得到正确的仿真结果。数字钟仿真波形 6.结语 本次试验的数字时钟能只够显示时间，其它功能如闹铃、调时、分、秒都能在此基础上进一步的实现，由于时间有限只能调试到这里。 经过努力，简易电子时钟的设计基本上算是完成了，在整个设计中，我最大的体会就是：难！我们在本次的课程设计中，发现了很多问题，同时做起来也很难不顺手，看着简单的电路，要动手把它设计出来实非易事，主要原因是我们没有经常动手设计电路，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本上学到的知识和实际电路联系起来，这不论对我们以后的学习还是就业，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的课程设计，在下一阶段的学习中我们会更加努力，力争把这门课学好学精。 同时通过本次课程设计，巩固了我们以前学过的专业知识，通过这次的程序设计，使我们对数字系统结构也有了更进一步的了解与认识，同时对数据库软件技术，语言等系列知识都有了一定的了解与认识。使用技术开发页面的能力也有了提高，也使我们把理论与实践从正真意义上结合了起来，考验了我们的动手能力，查阅相关资料的能力，还有组织材料的能力。通过此次实践，我们从中可以找出自己知识的不足与欠缺，以便我们在日后的学习中得以改进与提高。 经过本次设计使我们对所学习到的知识得以进一步实践，这将对我们走出校园走向社会走向工作岗位奠定坚实的基础。最后感谢老师对我们的指导，以及同学们对我的帮助，使得实验能够顺利完成！参考文献1潘松，黄继业.VHDL设计初步 J.EDA技术实用教材，2009，5-29：70-82.2华成英，童诗白.集成运算放大电路J.模拟电子基础，2006，5-4：185-187.3阎石.时序逻辑电路 M.北京：高等教育出版社，2008. 4李建东，郭梯云，邬国扬.移动通信.第四版.M.西安：西安电子科技大学出版社，2006. 5沈明山编著，EDA技术及可编程器件应用实训 北京：科学出版社 6崔建明主编，电工电子EDA仿真技术 北京：高等教育出版社，2004