【文章內(nèi)容簡介】 蜂鳴器用于學(xué)校作息時間報時，另外一個蜂鳴器用于鬧鐘報警。 如圖 224 所示 為 蜂鳴器發(fā)聲模塊 符號 圖和 RTL 圖。 QY 接比較模塊的輸出，相當(dāng)于蜂鳴器發(fā)生模塊的使能信號； CLK 接 1Hz 的時鐘模塊，報警可實現(xiàn)每一秒響一下；speaktime[3..0]接報警時長設(shè)定模塊的輸出，為報警持續(xù)的時間長度，范圍在一秒至十五秒以內(nèi)； q_20s 為蜂鳴器發(fā)聲模塊的輸出，接蜂鳴器的負(fù)極。 圖 224 蜂鳴器發(fā)聲模塊 符號 圖 如圖 225 所示 為 蜂鳴器發(fā)聲模塊波形仿真 圖。 給 clk 接入一定脈沖， speaktime 為一秒，當(dāng) Q_Y 為高電平時，伴隨時鐘脈沖下一個周期的到來， q_20s 由低電平變?yōu)楦唠娖?，高電平持續(xù)時間與時鐘脈沖的一個周期相等，實際測試時，時鐘脈沖為 1Hz 的秒信號，所以報警時長為 1s；當(dāng)設(shè)定 speaktime 為 15 秒時， q_20s 伴隨時鐘脈沖下一個周期的到來，由低電平變?yōu)楦唠娖?，持續(xù)時間與時鐘脈沖的 15 個周期相等，可實現(xiàn)15s 的報警時長。由此可知，蜂鳴器發(fā)生模塊滿足設(shè)計要求，可實現(xiàn) 115 秒自由調(diào)節(jié)。 圖 225 蜂鳴器 發(fā)聲模塊 顯示模塊設(shè)計 對于本學(xué)校打鈴器的設(shè)計，必不可少的就是顯示模塊的設(shè)計，因為根據(jù)設(shè)計要求，時鐘的計時顯示、鬧鐘的時間設(shè)定、蜂鳴器報警時長的設(shè)定，都需要數(shù)碼管來顯示，實際應(yīng)用的時候，數(shù)碼管的顯示是最直觀的表現(xiàn)。 時間切換模塊 如圖 226 所示 為 時間切換模塊設(shè)計框圖。設(shè)計思路為：通過 K2 來進行時間切換，當(dāng) K2 為高電平時，輸出正常計時時間；當(dāng) K2 為低電平時，輸出定時時間。 圖 226 時間切換模塊設(shè)計框圖 圖 227 時間切換模塊 符號 圖 如圖 227 所示 為 時間切換模塊 符 號 圖。 K2 為切換按鍵輸入，用于切換時間輸出；QSAI[3..0]為時鐘時間秒低位， QSBI[3..0]為時鐘時間秒高位， QMAI[3..0]為時鐘時間分低位， QMBI[3..0]為時鐘時間分高位， QHAI[3..0]為時鐘時間時低位， QHBI[3..0]為時鐘時間時高位； QH_ARM_A[3..0]為定時時間時低位， QH_ARM_B[3..0]為定時時間時高位， QM_ARM_A[3..0]為定時時間分低位， QM_ARM_B[3..0]為定時時間分高位；Q_HAO[3..0]為時間切換模塊的時低位， Q_HBO[3..0]為時間切換模塊的時高位，Q_MAO[3..0]為時間切換模塊的分低位， Q_MBO[3..0]為時間切換模塊的分高位，Q_SAO[3..0]為時間切換模塊的秒低位， Q_SBO[3..0]為時間切換模塊的秒高位。 設(shè)定時鐘時間為 21 點 34 分 52 秒，定時時間為 12 點整；當(dāng) K2 為高電平時，模塊輸出為時鐘時間 21 點 34 分 52 秒；當(dāng) K2 為低 電平時，模塊輸出為定時時間十二點整。由此可知，本模塊滿足設(shè)計要求。 動態(tài)掃描模塊 所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于顯示器的每一 位而言，每隔一段時間點亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作（點亮），但利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄滅時的余輝效應(yīng)，看到的卻是多個字符 “ 同時 ” 顯示。顯示器的亮度既與點亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān) [10]。若顯示器的位數(shù)不大于 8 位，則控制顯示器公共極電位只需一個 8 位 I/O口（稱為掃描口或字位口），控制各位 LED 顯示器所顯示的字形也需要一個 8 位口（稱為數(shù)據(jù)口或字形口）。調(diào)整電流和時間參烽，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示 [11]。 7 段數(shù)碼管一般由 8 個發(fā)光二極管組成，其中由 7 個細(xì)長 的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示，另外一個圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)光?？刂葡鄳?yīng)的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的數(shù)符數(shù)量也有限，但其控制簡單，使有也方便。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管，本設(shè)計使用共陰數(shù)碼管，如圖 228 所示 為 七段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu) 圖 。 圖 228 七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu) 如圖 229 所示 為 數(shù)碼管顯示 連接圖 。動態(tài)掃描電路將計數(shù)器輸出的 8421BCD 碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并 且輸出數(shù)碼管的片選信號和位選信號 [12]。所謂動態(tài)掃描顯示方式是在顯示某一位 LED 顯示塊的數(shù)據(jù)的時候，讓其它位不顯示，然后在顯示下一位的數(shù)據(jù)，同時關(guān)閉其他顯示塊。這樣做可以使每一個顯示塊顯示與自己相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。只要保證每一位顯示的時間間隔不要太大，利用人眼的視覺暫留的現(xiàn)象，就可以造成各位數(shù)據(jù)同時顯示的假象 [13]。一般每一位的顯示時間為 1~10ms。 圖 229 數(shù)碼管顯示 連接 圖 如圖 230 所示 為 動態(tài)掃描模塊 符號 圖。該模塊的輸入端口 clk 是頻率為 5kHZ 的掃描時鐘，故每一位顯示的時間為 ， 需要掃描 8 個數(shù)碼管，故顯示間隔為 。由分頻模塊提供，數(shù)碼管顯示時、分和秒，以及報警時間。其它輸入端口接計數(shù)模塊輸出的數(shù)據(jù)；輸出端口 segout[7..0]動態(tài)輸出掃描的數(shù)據(jù)；端口 selout[7..0]輸出數(shù)碼管的片選信號。 圖 230 動態(tài)掃描模塊 符號 圖 如圖 231 所示 為 動態(tài)掃描模塊波形仿真圖。給定一定時鐘脈沖，設(shè)定時鐘時間為21 點 01 分 25 秒，隨著脈沖上升沿的到來，數(shù)碼管的片選信號逐一變?yōu)榈碗娖?，分別輸出時鐘時間或定時時間，以及報警時長，有波形仿真圖可知此模塊滿足設(shè)計要求。 圖 231 動態(tài)掃描模塊波形仿真圖 按鍵電路設(shè)計 本設(shè)計需要對計時時間和鬧鐘時間進行調(diào)整，調(diào)整的過程需要用到按鍵電路，用到兩種按鍵，一種是機械式開關(guān)，另外一種是撥碼開關(guān)。由于按鍵電路比較簡單，在此主要介紹按鍵各自完成的功能。本設(shè)計由 8 個獨立按鍵組成，包括兩個撥碼開關(guān)，六個機械式開關(guān)。其中 2 個撥碼開關(guān)分別用于調(diào)節(jié)報警時長以及鬧鐘定時時間的調(diào)節(jié)；另外 6 個機械式開關(guān)分別用于復(fù)位，數(shù)碼管顯示切換，鬧鐘定時時、分切換，作息時間切換，時鐘時間時、分調(diào)節(jié) 。 第三章 實驗結(jié)果分析 測試過程 將設(shè)計程 序下載到實驗箱上 進行實際測試 ， 以下為實際測試過程： 當(dāng)前狀態(tài)為正常計時狀態(tài)，將復(fù)位按鍵設(shè)為高電平，計時開始，時鐘、鬧鐘顯示切換按鍵為高電平時顯示時鐘時間，可通過時鐘調(diào)時、調(diào)分鍵對時鐘時間進行調(diào)整，數(shù)碼管顯示從左到右依次為：報警時長十位、個位，時鐘時間時高位、時低位，分高位、分低位，秒高位、秒低位 ，顯示時間為十二點十九分十八秒，報警時長為十五秒 。 為鬧鐘設(shè)定時間 的顯示 ， 通過時鐘、鬧鐘顯示切換按鍵來進行切換，當(dāng)為低電平時顯示鬧鐘時間，可通過定時調(diào)時調(diào)分切換按鍵來選擇調(diào)整時或分，按下鬧鐘時間調(diào)節(jié)的撥碼開關(guān)進行鬧鐘 時間設(shè)定，圖中數(shù)碼管顯示 從左到右依次為：報警時長高位、低位，定時時間時高位、時低位，分高位、分地位，秒高位、秒低位 ，當(dāng)前顯示鬧鐘設(shè)定時間為十二點十三分，報警時長為五秒，當(dāng)時鐘時間為十二點十三分時，蜂鳴器報警，時長為五秒 。 測試說明， 最終結(jié)果與預(yù)期效果基本一致，時、分、秒能夠正常計數(shù)并可調(diào)節(jié)時間，學(xué)校上下課時間打鈴功能正常，并且可以通過按鍵調(diào)整作息時間以及報警時長。 自動 打鈴器的設(shè)計重 點 在于按鍵的控制和各個模塊代碼的編寫，雖然能把鍵盤接口和各個模塊的代碼編寫出來，并能正常顯示，但對于各個模塊的 優(yōu)化設(shè)計還有一定的缺陷和不足?？偟膩碚f，通過這次的設(shè)計實驗更進一步地增強了實驗的動手能力，對打鈴器的工作原理也有了更加透徹的理解。在本設(shè)計調(diào)試過程中遇到了一些 難點 問題 ，經(jīng)過努力加以解決 ： 當(dāng)程序下載到實驗箱上后，數(shù)碼管顯示全部為零，計數(shù)器不工作，經(jīng)分析得知程序中的總的清零信號保持有效狀態(tài)，改動程序后計數(shù)器開始計數(shù)。 當(dāng)秒時鐘計數(shù)到 59 時變 0 時，分計數(shù)模塊滯后計數(shù)，考慮的器件的延時，將程序中秒的進位信號提前 1 秒。 在對學(xué)校打零時間設(shè)置及更改的問題上，一開始想通過 ROM 實現(xiàn)，但思考之后還是采用了通過 程序?qū)崿F(xiàn)的方法，因為 ROM 只能讀不能寫。 在檢測按鍵時，由于有些按鍵控制是秒時鐘同步的，所以控制起來顯得稍微慢些，但是工作正常，能滿足實際的需要。 結(jié)果分析 本設(shè)計是采用硬件描述語言和 FPGA 芯片相結(jié)合進行的學(xué)校打鈴器的研究，從中可以看出 EDA 技術(shù)的發(fā)展在一定程度上實現(xiàn)了硬件設(shè)計的軟件化，設(shè)計的過程相對簡單，容易修改。 本設(shè)計中仍存在一定不足，用來控制學(xué)校打鈴器的按鍵為八個，數(shù)量較多，在實際應(yīng)用中會帶來不便， 以后可以考慮進一步優(yōu)化 ， 如， 可通過 加入 位選控制按鍵來實現(xiàn)節(jié)省按鍵資源，一鍵多用，便 可以減少按鍵，實現(xiàn)同樣的控制功能。 另外，在本設(shè)計的基礎(chǔ)上還可以進行一系列的創(chuàng)新，比如增加音樂報警的功能，取代稍有刺耳的蜂鳴聲，會使用戶在實際應(yīng)用中多一份樂趣，還可以加入遙控功能、語音識別等等，相信隨著電子技術(shù)的發(fā)展，打鈴器的功能會更加多樣化，滿足人們的各種需要，為人們以后的工作和生活提供更多的方便。 第四章 小結(jié)與體會 經(jīng)過 課外學(xué)分 的設(shè)計，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時的激情高漲到最后汗水背后的復(fù)雜 心情，點點滴滴無不令我回味無長。 通過這次課外學(xué)分設(shè)計，加強了我的動手、思考和解決問題的能力?？简灹宋业哪托暮椭泵娲煺鄣木瘛Ｎ疑钪院笠叩穆穼L更曲折，不過不要緊，我有信心和毅力走下去，摔倒了再爬起來，沒有什么，因為我們年輕，我們有激情和熱血。我會用百折不撓的決心，去越過每一道溝溝坎坎。 對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次經(jīng)歷讓我受益匪淺。必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！ 參考文獻 [1] 劉皖，何道君，譚明編著 .FPGA設(shè)計與應(yīng)用 [M].北京： 清華大學(xué)出版社 ， ： 1216 [2] 廖日坤 .CPLD/FPGA嵌入式應(yīng)用開發(fā)技術(shù)白金手冊 [M].北京： 中國電力出版社， 2020： 212218 [3] 著，徐振林等譯 .Verilog HDL 硬件描述語言 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 2020： 3642 [4] 侯伯亨 ， 顧新 .VHDL硬件描述語言與數(shù)字電路邏輯設(shè)計 [M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2020： 1216 [5] 高吉祥 .電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程 設(shè)計 [M].北京： 電子工業(yè)出版社， 2020： 6773 [6] 李國洪 ， 沈明山 .可編程器件 EDA技術(shù)與實踐 [M].北京：機械工業(yè)出版社 ， 2020： 5657 [7] 張慶雙 .電子元器件的選用與檢測 [M].北京： 機械工業(yè)出版社， 2020： 2325 [8] 李婷 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