【正文】 設(shè)計(jì)采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)主要研究基于 FPGA 的數(shù)字鐘 ， 要求時(shí)間以 24 小時(shí)為一個(gè)周期 ,顯示時(shí)、分、秒。具有校時(shí)以及報(bào)時(shí)功能 ， 可以對(duì)時(shí)、分及秒進(jìn)行單獨(dú)校對(duì) ， 使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。 一、設(shè)計(jì)分析 設(shè)計(jì)要求 1）具有時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)顯示功能，以 24小時(shí)循環(huán)計(jì)時(shí)。 2）要求走時(shí)誤差不大于每天 10秒。 3）具有調(diào)節(jié)小時(shí)、分鐘，秒及清零的功能。 4）定時(shí)鬧鐘，實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)，又揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)時(shí)聲音，發(fā)出滴答的聲音。 可編程邏輯器件及外圍電子元器件，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電子鐘，利用 EDA 軟件（ QUARTUS Ⅱ）進(jìn)行編譯及仿真，設(shè)計(jì)輸入可采用 VHDL 硬件描述語(yǔ)言輸入法）和原理圖輸入法，并下載到 EDA 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，連接外圍電路，完成實(shí)際測(cè)試。 性能指標(biāo)及功能設(shè)計(jì)性能指標(biāo) 1）時(shí)鐘計(jì)數(shù)：完成時(shí)、分、秒的正確計(jì) 時(shí)并且顯示所計(jì)的數(shù)字；對(duì)秒、分 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)，即從 0 到 59 循環(huán)計(jì)數(shù)，時(shí)鐘 —— 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)，即從 0 到23 循環(huán)計(jì)數(shù)，并且在數(shù)碼管上顯示數(shù)值。 2）時(shí)間設(shè)置：手動(dòng)調(diào)節(jié)分鐘、小時(shí)，可以對(duì)所設(shè)計(jì)的時(shí)鐘任意調(diào)時(shí)間，這樣使數(shù)字鐘真正具有使用功能。我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)板上的鍵 7和鍵 4進(jìn)行任意的調(diào)整，因?yàn)槲覀冇玫臅r(shí)鐘信號(hào)均是 1HZ 的，所以每 LED 燈變化一次就來(lái)一個(gè)脈沖，即計(jì)數(shù)一次。 3）清零功能： reset 為復(fù)位鍵，低電平時(shí)實(shí)現(xiàn)清零功能，高電平時(shí)正常計(jì)數(shù)?？梢愿鶕?jù)我們自己任意時(shí)間的復(fù)位。 4）蜂鳴器在整點(diǎn) 時(shí)有報(bào)時(shí)信號(hào)產(chǎn)生，蜂鳴器報(bào)警。產(chǎn)生“滴答 .滴答”的報(bào)警聲音。，當(dāng)鬧鐘計(jì)數(shù)至我們預(yù)先設(shè)定的時(shí)間時(shí)，鬧鐘的鈴聲響起，以提示人們時(shí)間到了。 二、設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法和模塊化設(shè)計(jì)方式，它由秒計(jì)數(shù)模塊，分 4 計(jì)數(shù)模塊，小時(shí)計(jì)數(shù)模塊，報(bào)警模塊，秒分時(shí)設(shè)置模塊和譯碼模塊，程序包， entity 模塊（頂層模塊）八部分組成。 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，層次清晰，工程的建立方便，無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)各個(gè)組件模塊產(chǎn)生原理圖文件后再進(jìn)行電路連接設(shè)計(jì)。 用頂層設(shè)計(jì)采用原理圖輸入設(shè)計(jì)、底層設(shè)計(jì)采用 VHDL 設(shè)計(jì)的原理圖與VHDL 混 合設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)帶整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能的數(shù)字鐘 ， 所以此設(shè)計(jì)可分為頂層與底層設(shè)計(jì) ， 共分為六個(gè)模塊 。 即時(shí)模塊、分模塊、秒模塊、動(dòng)態(tài)掃描控制模塊、段碼譯碼模塊和整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊。 秒模塊主體為 60 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器 ， ss 為向動(dòng)態(tài)掃描控制模塊提供秒的個(gè)位和十位數(shù)據(jù)的信號(hào)。 reset 為秒清零 ， mm 為分鐘進(jìn)位 ， 每 60 秒產(chǎn)生一個(gè)高電平的信號(hào) ， 作為分模塊的時(shí)鐘輸入 ， clk 為秒模塊的時(shí)鐘輸入 ， 接 1Hz 脈沖信號(hào) ， mm 為分鐘設(shè)置 ， 低電平是不影響秒模塊工作 ， 當(dāng)它為高電平時(shí) ， mm 信號(hào)會(huì)隨之產(chǎn)生一個(gè)和 clk 頻率相同的信號(hào) ， 達(dá)到調(diào)整分鐘 的目的。 分模塊主 體為 60 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器 ， daout 為向動(dòng)態(tài)掃描控制模塊提供分的個(gè)位和十位數(shù)據(jù)的信號(hào)。分鐘進(jìn)位 ， 每 60 分產(chǎn)生一個(gè)高電平的信號(hào) ， 作為時(shí)模塊的時(shí)鐘輸入 ， 秒計(jì)數(shù)到 60時(shí)的進(jìn)位輸出信號(hào) hh 和分鐘調(diào)整輸入信號(hào) mm， 經(jīng)或關(guān)系后接分的脈沖輸入端 clk， clk1 為時(shí)調(diào)整脈沖 ， 接1Hz 脈沖 ， hh 時(shí)鐘設(shè)置 ， 低電平是不影響分模塊工作 ， 當(dāng)它為高電平時(shí) ， mm信號(hào)會(huì)隨之產(chǎn)生一個(gè)和 clk 頻率相同的信號(hào) ， 達(dá)到調(diào)整時(shí)的目的。 時(shí)模塊為一個(gè) 24 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器 ， 動(dòng)態(tài)掃描控制模塊提供秒的個(gè)位和十位數(shù)據(jù)的信號(hào)。分計(jì)數(shù)到 60 時(shí)的進(jìn)位輸出信號(hào)和時(shí)調(diào)整輸入信 號(hào) ， 經(jīng)或關(guān)系后接時(shí)脈沖輸入端 clk。為向動(dòng)態(tài)掃描控制模塊提供時(shí)的個(gè)位和十位數(shù)據(jù)的信號(hào)。 動(dòng)態(tài)掃描模塊中為動(dòng)態(tài)掃描控制模塊的脈沖輸入 ， 由外部脈沖發(fā)生電路提供 ， 頻率約為1kHz， sel0、 sel sel2 接外部 38譯碼器 74LS138 的輸入端 A、 B、 C， ss[6..0]、mm[6..0]、 hh[5..0]分別為秒模塊、分模塊、時(shí)模塊計(jì)數(shù)段碼輸出控制信號(hào)。該模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)間的動(dòng)態(tài)掃描顯示控制。 字系統(tǒng)采用自頂向下、由粗到細(xì)，逐步分解的設(shè)計(jì)方法，最頂層電路是指系統(tǒng)的整體要求，最下層是具體的邏輯電路實(shí)現(xiàn)。自頂向下的設(shè)計(jì) 方法將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)逐步分解成若干功能模塊，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，并且應(yīng)用 EDA 軟件平臺(tái)自動(dòng)完成各功能模塊的邏輯綜合與優(yōu)化。利用 QuartusⅡ進(jìn)行具體設(shè)計(jì)編程、處理、檢查以及器件編程 三、設(shè)計(jì)環(huán)境 硬件設(shè)計(jì)環(huán)境 本設(shè)計(jì)使用 VHDL 硬件開(kāi)發(fā)板，可編程邏輯器件 EP2C5Q208C8N 系列。設(shè)計(jì)過(guò)程中用到的外圍電路的以及設(shè)計(jì)條件： 5 可編程器件 EP2C5Q208C8N 及開(kāi)發(fā)板系統(tǒng) CPLD – JTAG 接口 晶振和蜂鳴器 LED 數(shù)碼管顯示 獨(dú)立按鍵 撥碼開(kāi)關(guān) 64 位的計(jì)算機(jī)一臺(tái) 軟件設(shè)計(jì)環(huán)境 QuartusⅡ軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（ 版本） Windows7 操作系統(tǒng) 硬件描述語(yǔ)言 VHDL VHDL 的簡(jiǎn)介 VHDL 的英文全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit HardwareDescription Language,誕生 于 1982 年。 1987 年底， VHDL 被IEEE 和美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言 。自 IEEE 公布了 VHDL 的標(biāo)準(zhǔn)版本， IEEE1076（簡(jiǎn)稱(chēng) 87 版 )之后，各 EDA 公司相繼推出了自己的 VHDL 設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可以和 VHDL 接口。此后 VHDL在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件 6 描述語(yǔ)言。 1993 年， IEEE 對(duì) VHDL 進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展 VHDL 的內(nèi)容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 10761993 版本，（簡(jiǎn)稱(chēng) 93 版）?，F(xiàn)在， VHDL 和 Verilog 作為 IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，又得到眾多 EDA 公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語(yǔ)言。有專(zhuān)家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中，VHDL 于 Verilog 語(yǔ)言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。 VHDL 的特點(diǎn) （ 1）用 VHDL 代碼而不是用原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，意味著整個(gè)電路板的模型及性能可用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行驗(yàn)證。 （ 2) VHDL 元件的設(shè)計(jì)與工藝 u 無(wú)關(guān)，與工藝獨(dú)立，方便工藝轉(zhuǎn)換。 （ 3） VHDL 支持各種設(shè)計(jì)方法，自頂向下、自底向上或者混合的都可以。 （ 4）可以 進(jìn)行從系統(tǒng)級(jí)到邏輯級(jí)的描述，即混合描述。 （ 5） VHDL 區(qū)別于其他的 HDL，已形成標(biāo)準(zhǔn)，其代碼在不同的系統(tǒng)中可交換建模。 VHDL 的設(shè)計(jì)流程 1）設(shè)計(jì)規(guī)范的定義 明確這個(gè)系統(tǒng)有哪些設(shè)計(jì)要求，和你要想到達(dá)的目標(biāo)。 2）采用 VHDL 進(jìn)行設(shè)計(jì)描述 這部分包括設(shè)計(jì)規(guī)劃和程序的編寫(xiě)。設(shè)計(jì)規(guī)劃主要包括設(shè)計(jì)方式的選擇及是否進(jìn)行模塊劃分。設(shè)計(jì)方式一般包括直接設(shè)計(jì)，自頂向下和自底向下設(shè)計(jì)，這個(gè)和其他軟件語(yǔ)言差不多。最重要還是模塊劃分。 3） VHDL 程序仿真 4）綜合、優(yōu)化和布局布線 綜合指的是 將設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)化成底層電路的表示形式，其結(jié)果是一個(gè)網(wǎng)表或者是一組邏輯方程；優(yōu)化，這個(gè)主要是為了提高程序的執(zhí)行效率及減少資源的利用；布局布線，指的是將邏 7 輯關(guān)系轉(zhuǎn)化成電路連接的方式。 5）仿真 ，這個(gè)與 VHDL 程序仿真不同，這個(gè)不僅是對(duì)邏輯方面的驗(yàn)證，還要進(jìn)行時(shí)序功能驗(yàn)證。 6）器件編程 四、整體設(shè)計(jì)流圖 各模塊的原理性功能介紹 可編程器件 EP2C5Q208C8N CPLDJTAG 接口 晶振和蜂鳴器 晶體振蕩電路是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它 保證了時(shí)鐘走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。晶體振蕩器它的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。數(shù)字鐘的精度主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率及其穩(wěn)定度。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過(guò)分頻得到這一信號(hào)。晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的32768Hz 的方波信號(hào)，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路 8 LED 數(shù)碼管顯示 譯碼是把給定的代碼進(jìn)行翻譯，本設(shè)計(jì)即是將時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器輸出的四位二進(jìn)制數(shù)代碼翻譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，并通過(guò)顯示器顯示。 譯碼為編碼的逆過(guò)程。它將編碼時(shí)賦予代碼的含義“翻譯”過(guò)來(lái)。實(shí)現(xiàn)譯。碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。74LS47 是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用，下表列出了 74LS47 的真值表，表示出了它與數(shù)碼管之間的關(guān)系。 譯碼是把給定的代碼進(jìn)行翻譯，本設(shè)計(jì)即是將時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器輸出的四位二進(jìn)制數(shù)代碼翻譯為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，并通過(guò)顯示器顯示，通常顯示器與譯碼器是配套使用的。我們選用的七段譯碼驅(qū)動(dòng)器（ 74LS47）和 LA5611數(shù)碼管。 9 獨(dú)立按鍵 此次設(shè)計(jì)主要外部電路的觸發(fā)，每按一下將記一次數(shù)。 S1 校對(duì)秒的按鍵 S3 校對(duì)分的按鍵 S6 校對(duì)時(shí)的按鍵 多功能數(shù)字鐘的鬧鐘功能部分 通過(guò)按鍵 s1,s3,s6,設(shè)定鬧鐘時(shí)間 ， 當(dāng)時(shí)鐘進(jìn)入鬧鐘設(shè)定的時(shí)間 撥碼開(kāi)關(guān) 此次設(shè)計(jì)撥碼開(kāi)關(guān)的主要作用是清零，和選擇模式即狀態(tài)的切換 QuartusⅡ軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（ 版本） 本程序設(shè)計(jì)的是基于 VHDL 的數(shù)字時(shí)鐘，，采用采 用采用采用 EDA開(kāi)發(fā)工具， VHDL 語(yǔ)言為硬件描述語(yǔ)言， QUARTUSII 作為程序的運(yùn)行平臺(tái)，所開(kāi)發(fā)的程序經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行，波形仿真驗(yàn)證，初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。 10 設(shè)計(jì)的整體框架 在各個(gè)模塊都編譯通過(guò)的基礎(chǔ)上在頂層用原理圖的方法實(shí)現(xiàn)。 具體步驟如下： 1）確定總體結(jié)構(gòu) 這是在進(jìn)行系統(tǒng)具體編程設(shè)計(jì)之前就應(yīng)該做的工作。有了這一步，就對(duì)數(shù)字鐘的模塊有了了解。在具體設(shè)計(jì)時(shí)只要根據(jù)這些模塊各自的功能編寫(xiě)程序就大大的提高工作效率。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。 2）系統(tǒng)功能分析 整個(gè)系統(tǒng) 以 Altera 的芯片為核心，外部設(shè)備比較簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)和 6個(gè)數(shù)碼管，開(kāi)關(guān)分別作系統(tǒng)復(fù)位和校時(shí)用， 6個(gè)數(shù)碼管分別顯示秒、分和小時(shí)。核心部分由 3 大模塊組成，即時(shí)間計(jì)數(shù)模塊、控制模塊和顯示模塊。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將控制模塊和時(shí)間計(jì)數(shù)模塊集成在一起。時(shí)間計(jì)數(shù)模塊是通過(guò)計(jì)數(shù)產(chǎn)生秒、分和小時(shí)信號(hào)，顯示模塊對(duì)時(shí)間計(jì)數(shù)模塊產(chǎn)生的秒、分和小時(shí)的信號(hào)，通過(guò)時(shí)鐘掃描逐個(gè)在數(shù)碼管上顯示。校時(shí)功能主要是在計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)正常計(jì)時(shí)和校時(shí)2 個(gè)選通完成正常計(jì)時(shí)和校時(shí)的切換。 3）系統(tǒng)核心模塊功能分析及實(shí)現(xiàn) ①時(shí)間計(jì)數(shù)模 塊。時(shí)間計(jì)數(shù)模塊由一系列的計(jì)數(shù)器進(jìn)行級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，包括六進(jìn)制、十進(jìn)制、二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。秒和分鐘的計(jì)數(shù)器的各位為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。小時(shí)位為二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器則由一個(gè) VHDL 程序?qū)崿F(xiàn)。 ②顯示模塊。顯示模塊由一個(gè)沒(méi)有進(jìn)位的六進(jìn)制計(jì)數(shù)器、一個(gè)六選一選擇 11 器和一個(gè)七段譯碼管組成。六進(jìn)制計(jì)數(shù)器為六選一選擇器的選擇判斷提供輸入信號(hào)，六選一選擇器的選擇輸入端段分別接秒各位、分個(gè)位、分十位和小時(shí)位計(jì)數(shù)器的輸出，用來(lái)完成動(dòng)態(tài)掃描顯示。 細(xì)化后的原理框圖： 設(shè)計(jì)原理及流程圖 數(shù)字電子鐘的邏輯框圖 如下，它由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼器顯示器和校時(shí)電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號(hào) ,作為數(shù)字鐘的時(shí)間基準(zhǔn) ,然后經(jīng)過(guò)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計(jì)數(shù)器滿 60 后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位 ,分計(jì)數(shù)器滿 60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位 ,小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“ 24 翻 1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí) ,可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分 12 邏輯流程圖 13 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 五、系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì) 軟件程序模塊化設(shè)計(jì) 秒 /分 /時(shí)輸入模塊的軟件設(shè)計(jì) 60進(jìn)制 計(jì)數(shù)器（分、秒計(jì)數(shù)器）工作原理： “秒”計(jì)數(shù)器電路與“分”計(jì)數(shù)器電路都是 60 進(jìn)制，它由一級(jí) 10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一級(jí) 6進(jìn)制計(jì)數(shù)器連接構(gòu)成，如圖三所示，采用兩片中規(guī)模集成電路 74LS90 串接起來(lái)構(gòu)成的“秒”、“分”計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)時(shí)采用反饋清零法。（秒分時(shí)模塊程序一樣不再重復(fù)） architecture art of disshk is begin process(clk,d) variable count:integer range 0 to 100。d 為置位，計(jì)數(shù)段為 100次 begin 14 if d =