【正文】 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告 大連理工大學(xué)院 系： 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng) 班 級(jí)： 電集1001 姓 名： 陳朝吉 學(xué) 號(hào)： 201081086 大連理工大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目：基于1602液晶屏的數(shù)字萬(wàn)年歷（Verilog版）課程名稱： 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)班 級(jí)： 電集1001 學(xué)生姓名： 陳朝吉 學(xué) 號(hào)： 201081086 完成日期： 2012年12月22日 成 績(jī)： 題目：基于1602液晶屏的數(shù)字萬(wàn)年歷（Verilog版）一．設(shè)計(jì)要求1．基本功能216。 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘，能夠顯示當(dāng)前時(shí)間，分別用6個(gè)數(shù)碼管顯示小時(shí)、分鐘、秒鐘的時(shí)間，秒針的計(jì)數(shù)頻率為1Hz，可由系統(tǒng)脈沖分頻得到。216。 在整點(diǎn)進(jìn)行提示，可通過(guò)LED閃爍實(shí)現(xiàn)，閃爍頻率及花型可自己設(shè)計(jì)。216。 能夠調(diào)整小時(shí)和分鐘的時(shí)間，調(diào)整的形式為通過(guò)按鍵進(jìn)行累加。216。 具有鬧鐘功能，鬧鐘時(shí)間可以任意設(shè)定（設(shè)定的形式同樣為通過(guò)按鍵累加），并且在設(shè)定的時(shí)間能夠進(jìn)行提示，提示同樣可以由LED閃爍實(shí)現(xiàn)。2．?dāng)U展功能216。 設(shè)計(jì)模式選擇計(jì)數(shù)器，通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)控制各個(gè)功能之間轉(zhuǎn)換。216。 調(diào)整當(dāng)前時(shí)間以及鬧鐘時(shí)間，在按鍵累加的功能不變的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)功能，即當(dāng)按住累加鍵超過(guò)3秒，時(shí)間能夠以4Hz的頻率累加。216。 用LCD液晶屏來(lái)顯示當(dāng)前時(shí)間及功能模式。二．設(shè)計(jì)分析及系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1．要求分析：u 基于FPGA實(shí)際并發(fā)處理的特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)字萬(wàn)歷年系統(tǒng)，相比于任何嵌入式處理器而言，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將得以更加全面體現(xiàn)。u 數(shù)字萬(wàn)年歷中所有模塊都將基于基準(zhǔn)時(shí)鐘源進(jìn)行處理，結(jié)合FPGA本身的特點(diǎn)，在時(shí)鐘源下可進(jìn)行精確計(jì)數(shù)，可輕易而產(chǎn)生十分精確的萬(wàn)年歷時(shí)間。u 基礎(chǔ)部分：萬(wàn)年歷可包括以下時(shí)間處理模塊：基于秒時(shí)鐘計(jì)數(shù)器進(jìn)行判斷處理。①秒，分，時(shí)。②星期，上/下午。③日，月，年。④鬧鐘u 功能部分：①時(shí)間設(shè)定：使用四個(gè)按鍵進(jìn)行控制，分別是：設(shè)置復(fù)位按鍵，設(shè)置移位鍵，功能“加”鍵，功能“減”鍵。②整點(diǎn)報(bào)時(shí)部分：使用7個(gè)綠色LED作為提示燈。③鬧鐘提示部分：使用16個(gè)紅色LED作為鬧鐘報(bào)時(shí)提示。u 顯示部分：使用LCD1602液晶顯示屏作為萬(wàn)年歷的主顯示屏，鬧鐘顯示部分使用6個(gè)7段數(shù)碼管。2．方案設(shè)計(jì)基于FPGA的特點(diǎn)以及本萬(wàn)年歷系統(tǒng)自身功能特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方式。系統(tǒng)采用模塊化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。各個(gè)模塊及其相關(guān)實(shí)現(xiàn)功能描述，同時(shí)具體的代碼中模塊設(shè)計(jì)將以此基礎(chǔ)進(jìn)行代碼的編寫(xiě)，詳細(xì)代碼設(shè)計(jì)將在后面給出。u 時(shí)鐘發(fā)生模塊：基于系統(tǒng)外部輸入基準(zhǔn)時(shí)鐘源進(jìn)行秒計(jì)數(shù)，產(chǎn)生秒時(shí)鐘，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行相關(guān)判斷已經(jīng)在計(jì)數(shù)處理產(chǎn)生其他需要的時(shí)間信號(hào)。u 時(shí)鐘處理模塊：在時(shí)鐘發(fā)生模塊基礎(chǔ)上，利用FPGA多模塊并發(fā)處理特點(diǎn)，產(chǎn)生分鐘，小時(shí)等基礎(chǔ)信號(hào)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行計(jì)數(shù)以及一些判斷處理可容易產(chǎn)生星期，上/下午，日，月，年等信號(hào)。但需要注意的是以上所有萬(wàn)年歷時(shí)鐘信號(hào)的每位數(shù)（十進(jìn)制）在底層均為4位二進(jìn)制數(shù)表示，且由于FPGA中乘除法運(yùn)算不可綜合，在處理平閏年判斷時(shí)，采用拼接語(yǔ)句，然后內(nèi)嵌多個(gè)CASE語(yǔ)句進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)該功能。以上所有萬(wàn)年歷信號(hào)在其他模塊處理時(shí)仍然需要進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換或者譯碼。u 功能設(shè)定模塊：這里主要是針對(duì)功能按鍵和一些狀態(tài)開(kāi)關(guān)。功能按鍵部分主要包括上述分析中的四個(gè)，即設(shè)置復(fù)位，設(shè)置移位，功能“加”，功能“減”。在代碼編寫(xiě)時(shí)需要進(jìn)行按鍵的消抖處理，同時(shí)，由于鬧鐘設(shè)定和時(shí)間設(shè)定時(shí)均用到，故需要進(jìn)行設(shè)置復(fù)用，這里采用的方法是，以復(fù)位鍵為區(qū)分，長(zhǎng)摁下后可進(jìn)行萬(wàn)年歷的時(shí)間設(shè)定，長(zhǎng)摁下后在短按一下返回正常狀態(tài)，而鬧鐘設(shè)定需要在鬧鐘開(kāi)關(guān)有效狀態(tài)下，上述的功能鍵方有效。功能開(kāi)關(guān)主要控制整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位，鬧鐘開(kāi)關(guān)，液晶顯示屏的讀寫(xiě)開(kāi)關(guān)，背光，讀寫(xiě)等，這里全部采用二狀態(tài)的撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。u 顯示模塊：采用液晶屏1602作為數(shù)字萬(wàn)年歷的主顯示屏，由于屏幕顯示字符數(shù)量有限，再考慮本課程設(shè)計(jì)的綜合全面性，這里鬧鐘顯示部分采用6位數(shù)碼管作為顯示。本模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)1602的驅(qū)動(dòng)顯示程序，數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動(dòng)程序。u 鬧鐘模塊：對(duì)鬧鐘寄存器的值與萬(wàn)年歷實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的值進(jìn)行判斷處理，并驅(qū)動(dòng)紅色LED燈閃爍實(shí)現(xiàn)鬧鐘的報(bào)時(shí)提示。紅色LED的效果設(shè)定為整體閃爍。u 整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊：對(duì)萬(wàn)年歷實(shí)時(shí)時(shí)鐘的分鐘和秒鐘進(jìn)行判斷處理，實(shí)現(xiàn)在每個(gè)小時(shí)的整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，報(bào)時(shí)10秒鐘，即從59分50秒開(kāi)始進(jìn)行報(bào)時(shí)。以綠色LED燈作為提示，實(shí)現(xiàn)效果是流水閃動(dòng)。三．系統(tǒng)以及模塊硬件電路設(shè)計(jì)1．系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖基于上述方案分析，以FPGA芯片Cyclone II EP2C35F672C6為核心構(gòu)建的數(shù)字萬(wàn)年歷系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如下：FPGA最小系統(tǒng)Cyclone II EP2C35F672C6萬(wàn)年歷顯示屏模塊LCD1602液晶顯示屏整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊綠色LED閃爍燈鬧鐘提示模塊紅色LED閃爍燈鬧鐘顯示模塊7段數(shù)碼管萬(wàn)年歷設(shè)置模塊功能按鍵系統(tǒng)設(shè)置模塊功能撥碼開(kāi)關(guān)2．各個(gè)硬件模塊接口電路圖以上各個(gè)模塊實(shí)際硬件接口電路如下：① FPGA最小系統(tǒng)電源及控制電路I/O接口BANK1和BANK2I/O接口BANK3和BANK4I/O接口BANK5和BANK6I/O接口BANK7和BANK8②萬(wàn)年歷顯示屏模塊（LCD1602液晶顯示屏）③鬧鐘顯示模塊（7端數(shù)碼管）注：本系統(tǒng)只用了開(kāi)發(fā)板上的6位數(shù)碼管作為鬧鐘顯示，即數(shù)碼管7—3④整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊（綠色LED閃爍燈）⑤鬧鐘提示模塊（紅色LED閃爍燈）⑥萬(wàn)年歷設(shè)置模塊（功能按鍵）⑦系統(tǒng)設(shè)置模塊（功能撥碼開(kāi)關(guān)）注：本系統(tǒng)只用到了開(kāi)發(fā)板上的以上幾個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)作為系統(tǒng)控制3．系統(tǒng)芯片管腳配置情況數(shù)字萬(wàn)年歷系統(tǒng)I/O配置表：接口名稱類型(輸入/輸出)結(jié)構(gòu)圖上的信號(hào)名引腳號(hào)說(shuō)明時(shí)鐘輸入clkD13系統(tǒng)輸出時(shí)鐘源系統(tǒng)復(fù)位輸入rst_nP25系統(tǒng)復(fù)位開(kāi)關(guān)時(shí)間設(shè)定輸入key_rG26設(shè)定復(fù)位按鍵設(shè)定移位輸入key_yiN23設(shè)定移位按鍵設(shè)定/加輸入key_jiaP23功能“加”按鍵設(shè)定/減輸入key_jianW26功能“減”按鍵鬧鐘設(shè)定輸入alr_clk_setN26鬧鐘設(shè)定開(kāi)關(guān)鬧鐘開(kāi)關(guān)輸入alr_clk_swN25鬧鐘開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)1602開(kāi)關(guān)輸入sw3AF14液晶屏顯示開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)1602背光輸入sw2AE14液晶屏背光開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)1602讀寫(xiě)控制輸入sw1AD13液晶顯示屏讀寫(xiě)控制開(kāi)關(guān)1602開(kāi)關(guān)輸出lcd_onL4液晶屏開(kāi)關(guān)控制輸出1602背光輸出lcd_blonK2液晶屏背光控制輸出1602讀寫(xiě)控制輸出rwK4液晶顯示屏讀寫(xiě)控制輸出1602使能端輸出enK3液晶顯示屏使能輸出1602數(shù)據(jù)/命令輸出rsK1液晶顯示屏命令/數(shù)據(jù)選擇輸出1602數(shù)據(jù)(8位)輸出data[7…0]—液晶屏并行數(shù)據(jù)輸出數(shù)碼管7(7位)輸出seg7[6…0]—數(shù)碼管7并行數(shù)據(jù)輸出數(shù)碼管6(7位)輸出seg6[6…0]—數(shù)碼管6并行數(shù)據(jù)輸出數(shù)碼管5(7位)輸出seg5[6…0]—數(shù)碼管5并行數(shù)據(jù)輸出數(shù)碼管4(7位)輸出seg4[6…0]—數(shù)碼管4并行數(shù)據(jù)輸出綠色LED燈輸出led_g[7…0]—整點(diǎn)報(bào)時(shí)綠色LED燈輸出紅色LED燈輸出alr_led_g[15…0]—鬧鐘報(bào)時(shí)紅色LED燈輸出四．系統(tǒng)的Verilog設(shè)計(jì)1．根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的代碼編寫(xiě)可分為如下三個(gè)模塊文件實(shí)現(xiàn)：①key_scan模塊文件模塊功能及其實(shí)現(xiàn)算法描述：178。 功能：四個(gè)設(shè)置按鍵的消抖及其處理，產(chǎn)生在長(zhǎng)按下復(fù)位鍵下的有效狀態(tài)送萬(wàn)年歷時(shí)間設(shè)定，以及在鬧鐘有效狀態(tài)下的按鍵輸出。178。 算法描述：每個(gè)消抖處理才用延遲打兩拍的處理方法實(shí)現(xiàn)消抖20毫秒，其中對(duì)于設(shè)定復(fù)位按鍵設(shè)定長(zhǎng)按下達(dá)3S為有效輸出，短按一下置無(wú)效，在設(shè)置復(fù)位有效狀態(tài)下其他三個(gè)按鍵對(duì)于萬(wàn)年歷時(shí)鐘部分方有效。在鬧鐘設(shè)置開(kāi)關(guān)有效狀態(tài)下，其他三個(gè)按鍵對(duì)于鬧鐘設(shè)定有效。②clock模塊文件模塊功能及其實(shí)現(xiàn)算法描述：178。 功能：萬(wàn)年歷時(shí)間產(chǎn)生模塊，包括時(shí)間中的秒，分，時(shí)，星期，上/下日，月，年的產(chǎn)生和處理，鬧鐘寄存器的設(shè)置，整點(diǎn)報(bào)時(shí)的處理及輸出顯示，鬧鐘報(bào)時(shí)的處理及顯示。178。 算法描述：對(duì)于秒，分，時(shí)，中的每一位十進(jìn)制數(shù)，代碼中定義一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示（如秒時(shí)間定義2個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)表示秒的十位和個(gè)位），采用逐級(jí)計(jì)數(shù)的方法產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)間信號(hào)，在設(shè)置按鍵有效或者前一級(jí)時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，當(dāng)前時(shí)間相應(yīng)加1或者減一，以此類推產(chǎn)生更高級(jí)的時(shí)間信號(hào)（如分對(duì)于秒來(lái)說(shuō)有高級(jí)信號(hào)，秒滿60對(duì)分信號(hào)為進(jìn)一信號(hào)），在日，月模塊的判斷處理才有內(nèi)嵌多個(gè)case語(yǔ)句的方法實(shí)現(xiàn)，而平潤(rùn)年的判斷則采用對(duì)年份的十位和個(gè)位拼接利用case語(yǔ)句判斷在非整百年下是否為閏年，而對(duì)于整百年情況下再拼接年的百位和千位，再內(nèi)嵌一個(gè)case語(yǔ)句用同樣的方法進(jìn)行判斷是否為閏年。③display模塊文件178。 功能：液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)，萬(wàn)年歷時(shí)間譯碼成1602的ASCII碼字符，鬧鐘寄存器的譯碼及6個(gè)7段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。178。 算法描述：根據(jù)液晶顯示屏1602的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖（如下圖，由于本系統(tǒng)只用到了1602的寫(xiě)時(shí)序，故讀時(shí)序不給出），可編寫(xiě)1602的狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng),有時(shí)序圖可知，初始化是，RS=0，EN=0狀態(tài)下，下一個(gè)狀態(tài)送出命令數(shù)據(jù)，再下一個(gè)狀態(tài)將EN=1，即產(chǎn)生高脈沖信號(hào)，完成一次命令的初始化，相應(yīng)顯示輸出一個(gè)字符驅(qū)動(dòng)方法也也一直，只需將上述的RS=1即可，驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)如下圖。相應(yīng)的ASCII碼譯碼詳見(jiàn)源代碼。對(duì)于鬧鐘的譯碼也詳見(jiàn)源代碼。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)直接才有并行數(shù)據(jù)輸出即可。Lcd1602液晶顯示屏寫(xiě)時(shí)序圖狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3RS=0Data=命令字EN=0EN=1寫(xiě)一次命令字狀態(tài)n狀態(tài)n+1狀態(tài)n+2RS=1Data=數(shù)據(jù)EN=0EN=1寫(xiě)一次數(shù)據(jù)狀態(tài)n+…完成初始化完成1602寫(xiě)整屏LCD1602驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)④頂層模塊為：clk_16022．系統(tǒng)Verilog代碼軟件分析綜合結(jié)果178。 系統(tǒng)Verilog模塊綜合的RTL視圖如下：178。 系統(tǒng)綜合報(bào)告如下：3．系統(tǒng)代碼的重要變量及模塊名稱由于系統(tǒng)代碼量較大，其中涉及的寄存器變量較多，always塊語(yǔ)句較多，在源代碼的各個(gè)文件模塊里面均有詳細(xì)的注釋說(shuō)明，這里不一一列舉，詳見(jiàn)源代碼。五．結(jié)論以及結(jié)果說(shuō)明1．系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境：216。 PC機(jī)一臺(tái)：Windos XP216。 綜合開(kāi)發(fā)軟件：216。 仿真軟件：2．系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境：216。 Altera DE2115 FPGA開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)板3．系統(tǒng)調(diào)試仿真結(jié)果對(duì)數(shù)字萬(wàn)年歷本身的特點(diǎn)，波形仿真無(wú)法進(jìn)行，同時(shí)限于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)以及自身水平的限制，對(duì)于Testbench編寫(xiě)能力不足，故本系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)仿真，而是著重進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試方法采用基于開(kāi)發(fā)板的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，采用單模塊調(diào)試，多模塊組合調(diào)試等多種方法相結(jié)合的調(diào)試方法進(jìn)行，確保了每個(gè)小模塊功能的正常及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。4．系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能和結(jié)果如下：178。 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，按萬(wàn)年歷實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功能正常運(yùn)行，其中，液晶顯示屏1602越每600毫秒更新一次。178。 若系統(tǒng)復(fù)位開(kāi)關(guān)復(fù)位，系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)復(fù)位，按下載時(shí)的初始化時(shí)間重新運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)可手動(dòng)復(fù)位。178。 在每個(gè)59分50秒開(kāi)始，整點(diǎn)報(bào)時(shí)綠色LED以流水效果進(jìn)行閃爍，閃爍時(shí)間10秒，即整點(diǎn)時(shí)停止。178。 在鬧鐘開(kāi)關(guān)開(kāi)情況下，數(shù)碼管顯示當(dāng)前鬧鐘時(shí)間，并且到時(shí)鐘走到相應(yīng)鬧鐘設(shè)定時(shí)間時(shí)，紅色LED以閃動(dòng)效果進(jìn)行鬧鐘報(bào)時(shí)提示，持續(xù)一分鐘后停止。在鬧鐘開(kāi)關(guān)關(guān)閉狀態(tài)下，數(shù)碼管滅，相應(yīng)鬧鈴功能關(guān)閉。178。 在鬧鐘設(shè)置開(kāi)關(guān)有效狀態(tài)下，按下功能“加”鍵，鬧鐘的分鐘的個(gè)位加1，按下功能“減”則該位減1，若按下設(shè)置移位鍵后，再按功能“加”或“減”，則分鐘的十位加1或者減1。由此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)任意修改鬧鐘。178。 只有在長(zhǎng)按下設(shè)置復(fù)位鍵達(dá)3秒時(shí)，液晶顯示屏上秒的個(gè)位有光標(biāo)閃爍，表示可修改該位，功能“加”和“減”鍵可實(shí)現(xiàn)加1或減1。若此時(shí)按下設(shè)置移位鍵，則光標(biāo)移到秒的十位閃爍。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)可任意修改液晶顯示屏萬(wàn)年歷上的任一時(shí)間量。其中上/下午為系統(tǒng)自動(dòng)判斷，無(wú)須修改。若想退出修改狀態(tài)，此時(shí)，短按一下設(shè)置復(fù)位鍵即可退出，系統(tǒng)正常狀態(tài)下，短按設(shè)置復(fù)位鍵無(wú)效。178。 系統(tǒng)還設(shè)置了液晶顯示屏的背光開(kāi)關(guān)，顯示開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)液晶顯示屏的顯示與否，以及背光的有無(wú)。5．系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)情況分析本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)的基本功能和擴(kuò)展功能要求，但本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中仍存在以下一個(gè)Bug和一個(gè)需要完善的功能點(diǎn)。限于學(xué)時(shí)有限，始終未能找到錯(cuò)誤源頭。178。 Bug：數(shù)字萬(wàn)年歷系統(tǒng)中月份的十位在未能正常進(jìn)位走時(shí)。其他位數(shù)在平潤(rùn)年情況下均正常。178。 需要完善的功能點(diǎn)：鬧鐘系統(tǒng)中未設(shè)定是否重響，鬧鈴后認(rèn)為可關(guān)閉功能。178。 Bug分析：基于設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用的平潤(rùn)年的處理