【正文】 ......................................................... 27 七段譯碼功能模塊的仿真波形 ................................................................................... 28 LED 顯示功能模塊的仿真波形 ................................................................................... 30 系統(tǒng)總體功能仿真波形 ............................................................................................... 31 總 結(jié) ..................................................................................................................................... 32 致 謝 ..................................................................................................................................... 33 參考文獻 ................................................................................................................................. 34 附錄 A：基于 CPLD 的多功能數(shù)字鐘電路圖 ..................................................................... 35 附錄 B：基于 VHDL語言的時、分、秒等電路的源碼 .................................................... 36 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 1 緒論 課題背景 我們已經(jīng)進入了數(shù)字化和信息化的時代，其特點是各種數(shù)字產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代數(shù)字產(chǎn)品在性能提 高、復雜度增大的同時，其更新?lián)Q代的步伐也越來越快，實現(xiàn)這種進步的因素在于生產(chǎn)制造技術(shù)和電子設(shè)計技術(shù)的進步。生產(chǎn)制造技術(shù)以微細加工技術(shù)為代表，目前已進展到深亞微米階段，可以在幾平方厘米的芯片上集成數(shù)千萬個晶體管 [1]。 PLD 器件和 EDA 技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計思路，使人們可以立足于 PLD 芯片來實現(xiàn)各種不同的功能，新的設(shè)計方法能夠由設(shè)計者自己定義器件內(nèi)部邏輯和管腳，將原來由電路板設(shè)計完成的工作大部分放在芯片的設(shè)計中進行。這樣不僅可以通過芯片設(shè)計實現(xiàn)各種邏輯功能，而且由于管腳定義的靈活性，減輕了原理圖和印制 板設(shè)計的工作量和難度，增加了設(shè)計的自由度，提高了效率。同時這種設(shè)計減少了所需芯片的種類和數(shù)量，縮小了體積，降低了功耗，提高了系統(tǒng)的可靠性 [2]。 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、定時啟閉電路、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有 這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用，有著非常現(xiàn)實的意義。 本課題研究的內(nèi)容 本設(shè)計是基于 CPLD（ MAX7000S 系列） 的多功能數(shù)字鐘設(shè)計。硬件界面為一個 6位 的 LED 數(shù)碼管，時間顯示方式為 6 位同時顯示，即顯示狀態(tài)為： 88： 88： 88。顯示的時間制為 24 小時制。三個時間設(shè)定按鍵，分別為 MODE 模式選擇鍵， SET 設(shè)定鍵和CHANGE 數(shù)值修改鍵 [3]。 按鍵功能介紹： MODE 按鍵用來選擇當前數(shù)字鐘的工作模式，系統(tǒng)正常工作在模式 0 下 。當在正常時鐘模式下第一次按下 MODE 鍵時，系統(tǒng)進入模式 1，即鬧鈴模式，在此模式下可以通過 SET 和 CHANGE 按鍵的配合使用來設(shè)定所需要的鬧鈴時間。當再一次按下 MODE 按鍵后系統(tǒng)進入手動校時模式，在此模式下通過 SET 和 CHANGE 按鍵的配合使 用，可以改變當前時間。 SET 按鍵則用于在不同的模式下選擇當前設(shè)定的位 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 置，比如當前設(shè)定的位置是小時，則再一次按下 SET 按鍵后當前設(shè)定的位置變?yōu)榉昼?。CHANGE 按鍵用來將當前設(shè)定位置的時間值加 1，當長時間按下 CHANGE 按鍵時，當前設(shè)定值為連續(xù)快速加 1，此功能用于快速設(shè)定時間 [4]。 系統(tǒng)帶四個指示燈電路，一個為電源指示燈，其他三個為工作狀態(tài)指示燈，即分別為 LED_ALARM、 LED_HOUR 和 LED_MIN。 LED_ALARM 用于指示當前是否設(shè)有鬧鈴，當 LED_ALARM 指示燈亮時表明當前設(shè)有鬧鈴。 LED_HOUR 和 LED_MIN 用于指示當前設(shè)定的是時間的小時還是分鐘，當 LED_HOUR 指示燈亮時表明此時設(shè)定的是時間的小時值，當 LED_MIN 指示燈亮時表明此時設(shè)定的是時間的分鐘值。 鬧鈴的功能是實現(xiàn)當?shù)竭_預設(shè)的時間點時產(chǎn)生為時 20s 的“嘀嘀嘀嘀”急促短音。整點報時的功能 是實現(xiàn)在每個整點的 5 秒鐘前產(chǎn)生整點報時音，報時音為 “嘀嘀嘀 嘟 ”4短一長音。 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 2 總體 設(shè)計 方案 整個設(shè)計 的 方式采用 TOPDOWN 設(shè)計方法 ， 即自頂向下的設(shè)計。這種設(shè)計方法首先從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進行功能方框圖的劃 分和結(jié)構(gòu)設(shè)計。在功能級進入仿真和糾錯，并用硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進行描述，然后用綜合工具將設(shè)計轉(zhuǎn)化為具體門電路網(wǎng)表，其對應(yīng)的物理實現(xiàn)可以是 PLD 器件或?qū)Ｓ眉呻娐?。由于設(shè)計的主要仿真和調(diào)試過程是在高層次上完成的，這一方面有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的錯誤，避免設(shè)計工作的浪費，同時也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計的一次成功率 [5]。 多功能數(shù)字鐘設(shè)計分為 1 個頂層模塊和 8 個功能子模塊。頂層模塊名稱為 。各功能子模塊分別為：系統(tǒng)分頻功能模塊 、模式選擇功能模塊、快速時間設(shè)置功能模塊 、秒分時計時與時間調(diào)整模塊、鬧鈴時間設(shè)置模塊 、鬧鈴與整點報時模塊 、 7 段顯示譯碼模塊 以及 LED 顯示功能模塊 。 圖 整個系統(tǒng)的模塊劃分 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 3 單元模塊電路設(shè)計 時間顯示電路模塊設(shè)計 時間顯示電路主要由兩部分組成，如圖 所示。其中一部分為六位 LED 數(shù)碼管的驅(qū)動電路，另一部分為 LED 數(shù)碼管電路。 LED 驅(qū)動電路由 Q Q Q Q QQ6 六 個 三 極 管和 R R R R R R10 基極偏置電阻組成。驅(qū)動三級管為 PNP型三極管，用于開關(guān)電路中。當三 極 管 Q1 的基極（即 CPLD 的 LED0 輸出端）為低電平時， Q1 的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，因此三極管處于導通狀態(tài)，此時有Vce≈~。反之當 Q1 的基極為高電平時 Q1 截止。 Q1~Q6 的基極（ LED0~LED5）分別接 CPLD 的 PIN7 PIN7 PIN70、 PIN6 PIN6 PIN67，分別作為 LED 數(shù)碼管的位選端 [6]。 圖 LED 顯示電路 LED 的顯示方式有靜態(tài)顯示和動態(tài)方式兩種工作方式。 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極（或共陽極）連接在一起并接地（或 +5V）；每位的段碼線（ A~dp）分別與一個 8 位的鎖存器輸出相連。之所以為靜態(tài)顯示，是因為各 個 LED 的顯示字符的字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器鎖存的段碼輸出將維持不變，直到送入另一個字符的段碼為止。正因為如此，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。但是因為靜態(tài)顯示方式下，各位 LEDQ19015Q29015Q39015Q49015Q59015 Q69015R4330R510KR610KR710KR810KR910KR 1010KR 11R 12R 13R 14R 15R 16V C CL E D 0 L E D 1 L E D 2 L E D 3 L E D 4 L E D 5A B C D E F G db 543210LED 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 的段碼線都是獨立的，因此一個 6 位的 LED 顯示器需要占用 6*8+6=54 個 I/O 口，在這種情況下為了簡化接線，本設(shè)計采用的是動態(tài)掃描方式來顯示。 在動態(tài)顯示方式下，通常將所有位的段碼線相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個 8 位的 I/O 口控制，形成段碼線的多路復用，而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的 I/O 口 控制，形成各位的分時選通 [7]。圖 所示的電路是一 個六位的 LED 顯示電路。其中段碼線占用1 個 8 位 I/O 口，而位選線占用六位 I/O 口。由于各段碼線并聯(lián)， 8 位 I/O 口輸出的段碼對各個顯示位來說都是相同的。因此，在同一時刻，如果各位位選線都處于選通狀態(tài)的話六位 LED 將顯示相同的字符。若 使各個 LED 能同時顯示出與本位相應(yīng)的字符，就必須采用動態(tài)顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位的位選線處于選 通 狀態(tài)，而其他各位的位選處于關(guān)閉狀態(tài)，同時，段碼線上輸出相應(yīng)的要顯示的字符段碼。這樣，在同一時刻，六位 LED 中只有選通的那一位顯示出字 數(shù) ，而其它則是熄滅的。同樣在下一時刻，只讓下 一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其它各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼，則同一時刻，只有選通位顯示相應(yīng)的字符 ， 而其它各位是熄滅的 ， 如此循環(huán)下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符。 按鍵及指示燈電路模塊的設(shè)計 根據(jù)電子電路常識，采用灌電流工作方式的電路的功耗要比采用拉電流方式工作的電路小。因此本設(shè)計中所有的外部鍵盤，指示二極管均采用灌電流的工作方式。當多功能數(shù)字鐘的按鍵未按下時按鍵的輸出（即 CPLD 的輸入）為低電平，當按鍵按下時輸出（即 CPLD 的輸入）為高電平。 在本設(shè)計中只有三 個按鍵，分別為 MODE、 SET、 CHANGE。 MODE 按鍵用于模式選擇，按下一次 MODE 按鍵后電路進入鬧鈴設(shè)置模式，在該模式下可以用 SET 鍵來選擇當前是設(shè)置小時還是設(shè)置分鐘，而用 CHANGE 鍵可以改變當前設(shè)置鬧鈴的小時或分鐘（向上加一）。再按一次 MODE 鍵則進入手動校時功能模式 [8]。按鍵電路如圖 所示。 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 R14 .7 KR24 .7 KR34 .7 KS1M O D ES2S E TS3C H A N