【正文】 鐘，在此基礎(chǔ)上增加了諸項(xiàng)功能。設(shè)計(jì) 中 采用 了 EDA 技術(shù)， 使用 硬件描述語(yǔ)言 Verilog HDL 對(duì)各大功能模塊的邏輯功能進(jìn)行代碼編寫(xiě)。 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板的主芯片為 EP3C25Q240C8， 多功能數(shù)字鐘 由分頻 器模塊， 時(shí)鐘 計(jì)數(shù)模塊，校時(shí)控制模塊，鬧鐘模塊，整點(diǎn)報(bào)時(shí)與音樂(lè)演奏模塊，數(shù)據(jù)選擇模塊，譯碼 顯示 模塊，按鍵去抖動(dòng)模塊和數(shù)字跑 表模塊 構(gòu) 成?？梢允謩?dòng)調(diào)整時(shí)間，設(shè)定鬧鐘及數(shù)字跑表計(jì)時(shí)。這與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品最主要的 區(qū)別是使用 了大量的 可編程邏輯器件， 這就 提高 了產(chǎn)品的性能，縮小了體積，降低了功耗 。 本設(shè)計(jì)采用的 EDA 技術(shù) 符合 現(xiàn)代 先進(jìn) 電子技術(shù)的 諸多 要求， 是設(shè)計(jì)研發(fā)電子產(chǎn)品的 新 興 技術(shù)。數(shù)字鐘的應(yīng)用非常廣泛，主要用于 家庭 生活，以及長(zhǎng)途車(chē)站，機(jī)場(chǎng)， 辦公室 ，碼頭 等公共場(chǎng)所， 為 人們的生活 起居，學(xué)習(xí)工作和 娛樂(lè) 提供了很 大的方便。 數(shù)字鐘 所采用的是 數(shù)字電路技術(shù) 去實(shí)現(xiàn)時(shí)，分， 秒 的精確計(jì)時(shí)，比 機(jī)械式時(shí)鐘 更 具 直觀性 和 精準(zhǔn)性 ， 同時(shí)它的 使用壽命 更長(zhǎng) ，因此使用 及其 廣泛 。 這些都是 基于 鐘表數(shù)字化的。 課題的研究方法和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 基于 FPGA 原理的理論知識(shí) ，結(jié)合數(shù)字鐘的相關(guān)書(shū)籍 的查找 ， 對(duì) 數(shù)字鐘的 基本 結(jié)構(gòu) 進(jìn)行分析，利 用 QuartusII 軟件仿真，驗(yàn)證 了理論與 仿真結(jié)果的一致性。 本 課題研究把 Verilog HDL 硬件描述語(yǔ)言 與 可編程邏輯器件 相 結(jié)合 ， 通過(guò) 七段 數(shù)碼管顯示 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果?？删幊踢壿嬈骷?的使用與 其他方式 相比具有很多優(yōu) 點(diǎn)， 如 易 于 學(xué) 習(xí) ，方便 快捷，別致獨(dú)特 ，趣 味濃厚 ， 更加 直觀，設(shè)計(jì) 的 成功率高，易 于編程和修改添加 等特點(diǎn)，應(yīng)用異常 便 利 。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 2 本文的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容 當(dāng)今 ，電子系統(tǒng) 的發(fā)展 速度 高， 規(guī)模 大，集成化。 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們已不滿足現(xiàn)有的數(shù)字鐘功能。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 3 第二 章 FPGA 簡(jiǎn)介 FPGA 的原理與基本結(jié)構(gòu) FPGA 是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（ Field Programmable Gate Array）的簡(jiǎn)稱(chēng) [2]， 它的出現(xiàn)是用來(lái) 作為一種半定制電路， 不僅解決了定制電路的缺陷，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)太少 的 不足 。 FPGA通常 由 三種可編程電路與 一個(gè)用 來(lái)寄存 編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲(chǔ)器 SRAM構(gòu) 成 [3]。 可編程邏輯模塊 CLB是達(dá)成模塊邏輯功能的根 本單元，它們 一般會(huì)有規(guī)則的組成一個(gè)陣列，均勻分布在 整個(gè)芯片 上 ；可編程輸入 /輸出模塊 IOB通常負(fù)責(zé) 完成芯片 的邏輯與外部封裝腳的接口 工作 [5]；可編程互連資源包含大量不同長(zhǎng)度的線段和 可編程連接開(kāi)關(guān)，它們 把 IOB之間或 IOB、 CLB之間 及 CLB之間銜 接起來(lái)，形 成 具備 特定功能的電路。 現(xiàn)今，自頂向下 的設(shè)計(jì)方法已 經(jīng) 被 普遍應(yīng)用。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 4 第三 章 Quartus II 簡(jiǎn)介 Quartus II 是由 Altera 公司 提供的 FPGA/CPLD 軟件 開(kāi)發(fā)集成環(huán)境， 21世紀(jì)初 被 Altera公司 推出，是 由 Altera公司 前一代 FPGA/CPLD 軟件 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 MAX+plus II 的 推陳出新的新產(chǎn)品 [2]，它的運(yùn)行 界面友好，使用 起來(lái)相當(dāng)便捷。 Altera 公司 的 Quartus II 軟件為用戶 提供了完整的多平臺(tái)設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā) 環(huán)境， 可以完成種 種特定設(shè)計(jì)的需要， 同時(shí)它 也是單 個(gè) 芯片 的 可編程系統(tǒng)（ SOPC）設(shè)計(jì)的綜合性環(huán)境和 SOPE設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā) 工具。 Quartus II 軟件支持分層次的設(shè)計(jì)，能夠 在一個(gè)新的輸入環(huán)境中對(duì)使用不 一樣的輸入設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn) 的 功 能 模塊進(jìn)行調(diào)用， 因此 解決了 電路 原理圖與 HDL 混合輸入設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題。 Quartus II 軟件具有卓越 的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤定位器 功能 ，用 來(lái)確定文本 中 或 者 圖形設(shè)計(jì)中 產(chǎn)生 的錯(cuò)誤。在進(jìn)行編譯后，可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序或功能仿真。 當(dāng)程序 編譯和 功能仿真檢測(cè)準(zhǔn)確 后，即 可 通過(guò) Quartus II軟件自帶 的編程器 把下載信息下載到目標(biāo)器件中 。 因?yàn)?計(jì)數(shù) 從 0開(kāi)始，無(wú)法與當(dāng)前時(shí)間相同，所以 要在電路上 添加一個(gè)對(duì)時(shí)間校準(zhǔn)的電路。圖 41所示為數(shù)字鐘的一般構(gòu)成框圖。 可以通過(guò)改變 控制邏輯電路 來(lái) 不斷 添加和 增強(qiáng)數(shù)字鐘的功能。秒 的 計(jì)數(shù) 從 0開(kāi)始，計(jì)到 59后秒清零并 向分 的 計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器 在進(jìn)位來(lái)時(shí)加 1，計(jì)到 59后 分清零并 向小時(shí) 的 計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器 在進(jìn)位來(lái)時(shí)加 1，計(jì)到 23后清零。 各 計(jì)數(shù)器的輸出分別 送往 譯碼 顯示電路進(jìn)行譯碼顯示 。 校時(shí) 控制信號(hào) 是 由按鍵 產(chǎn)生的 。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 6 第五 章 數(shù)字鐘的具體 設(shè)計(jì)流程 及結(jié)果驗(yàn)證 本設(shè)計(jì)的頂層圖 本設(shè)計(jì)采用 自頂向下 （ TOP DOWN）的設(shè)計(jì)方法。 圖 51 多功能數(shù)字鐘頂層圖 分頻模塊 晶體振蕩器是數(shù)字鐘的核心 部件 ， 振蕩器的 震蕩 頻率 精度和穩(wěn)定度確保 時(shí)鐘的 計(jì)時(shí)精確與 穩(wěn)定 [7]。然后 通過(guò)對(duì) 分頻電路 的設(shè)計(jì) ， 來(lái)分頻得到所需要的各個(gè)頻率， 其 設(shè)計(jì)流程 框圖如圖 52 所示。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 7 分頻電路的 模塊 圖如圖 53 所示。 圖 54 分頻仿真波形圖 由仿真波形圖分析可知：本設(shè)計(jì)使用的晶體振蕩器 clk 為 50MHz， clk 每 10個(gè)脈沖形成一個(gè)脈沖，把 50MHz 分為了 5MHz。經(jīng)過(guò)分頻后輸出的 1khz 的動(dòng)態(tài)掃描信號(hào) clk1khz、100hz 的標(biāo)準(zhǔn)百分秒信號(hào) clk100hz、 5mhz 的整點(diǎn)報(bào)時(shí)信號(hào) clk5mhz、 8hz 的鬧鐘音樂(lè)信號(hào)、 1hz 的標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào) clk1hz。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)上用鐘頻為 500Hz（周期為 2ms）的 5 級(jí)寄存器加一個(gè)或門(mén)來(lái)避開(kāi)抖動(dòng)。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 8 圖 55 按鍵去抖動(dòng)電路原理圖 該模塊用來(lái)判斷是否有按鍵按下， 當(dāng)有按鍵按下時(shí)， 要消除按鍵產(chǎn)生的抖動(dòng) 。 按鍵去抖動(dòng)的模塊圖 如圖 56 所示。 圖 57 按鍵去抖動(dòng)仿真波形圖 由仿真波形圖分析可知：當(dāng)按鍵按下時(shí)，存在一段抖動(dòng)信號(hào)，在抖動(dòng)過(guò)后按鍵仍處于按下?tīng)顟B(tài)，此時(shí)確認(rèn)按鍵已按下，滿足了設(shè)計(jì)要求。時(shí)鐘模塊的邏輯框圖如圖 58 所示。仿真波形如圖 59 所示。當(dāng) key[0]為 0 時(shí)， mode依次從 0（時(shí)鐘計(jì)數(shù)模式）切換為 1（鬧鐘設(shè)定模式）、 2（校時(shí)控制模式）、 3（秒表模式），其結(jié)論符合模式切換的規(guī)律，邏輯電路設(shè)計(jì)正確。仿真波形如圖 510 所示。秒計(jì)數(shù)從00 開(kāi)始，記到 59 秒后清零，分鐘加 1。 其計(jì)數(shù)規(guī)律 符合正常計(jì)時(shí)，邏輯電路 的 設(shè)計(jì) 是 正確 的 。 仿真波形如圖 511 所示。當(dāng) key[0]為 0 時(shí)， mode 依次從 0（時(shí)鐘計(jì)數(shù)模式）切換為 1（鬧鐘設(shè)定模式）、 2（校時(shí)控制模式），系統(tǒng)處于校時(shí)控制模式下。當(dāng)進(jìn)入時(shí)鐘計(jì)數(shù)模式，分鐘，小時(shí)正常計(jì)數(shù) 。 鬧鐘設(shè)定功能 鬧鐘設(shè)定功能完成數(shù)字鐘設(shè)置鬧鐘時(shí)間工作，可以手動(dòng)進(jìn)行鬧鐘時(shí)間的設(shè)定，仿真波形如圖 512 所示。當(dāng) key[0]為 0 時(shí)， mode 從 0（時(shí)鐘計(jì)數(shù)模式）切換為1（鬧鐘設(shè)定模式），系統(tǒng)處于鬧鐘設(shè)定模式下。當(dāng)進(jìn)入時(shí)鐘計(jì)數(shù)模式時(shí)，分鐘，小時(shí)正常計(jì)數(shù)。 數(shù)字跑表功能 數(shù)字跑表功能完成跑表的工作，可以手動(dòng)進(jìn)行跑表的清零和暫停功能，仿真波形如圖 513 所示。百分秒計(jì)數(shù)從 00 開(kāi)始，記到 99 后百分秒清零，秒加 1。實(shí)現(xiàn)了百分秒從 00 到 99 的循環(huán) 計(jì)數(shù)，秒從 00 到 59 的循環(huán)計(jì)數(shù)。其結(jié)論符合數(shù)字跑表的規(guī)律，邏輯電路設(shè)計(jì)正確。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 12 圖 514 數(shù)據(jù)選擇模塊圖 數(shù)據(jù)選擇模塊主要完成數(shù)字鐘在不同模式之間數(shù)據(jù)的選擇工作，把當(dāng)前模式下的數(shù)據(jù)送往譯碼顯示模塊進(jìn)行譯碼顯示，仿真波形如圖 515 所示。當(dāng) mode 為 1 時(shí)，系統(tǒng)處于鬧鐘設(shè)定模式下， data（當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)）為 ahour： amin： sec，即為 081000。 data（當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)）為 thour： tmin： sec，即為 044000。其 結(jié)論符合數(shù)據(jù)選擇的規(guī)律，邏輯電路設(shè)計(jì)正確。 動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式 是數(shù)碼管 最廣泛的 應(yīng)用 之一 [10]。當(dāng)要將想要顯示的數(shù)據(jù)送給譯碼顯示電路時(shí) ，所有 的數(shù)碼管 收到 的 字形碼 是 相同的，但 到底 是那 一 個(gè) 數(shù)碼管被點(diǎn) 亮，則取決于 公共 端 口，但是 這一端 口 由 I/O 來(lái)控制，因此可以自行決定何時(shí)顯示哪一位。在 數(shù)碼管 點(diǎn)亮 的 過(guò)程中，每位 數(shù)碼管 的點(diǎn)亮?xí)r間 非常短，因?yàn)榘l(fā)光二極管存在 余輝效應(yīng) 和 人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象 [12]， 雖然 每個(gè) 數(shù)碼管并不是被 同時(shí)點(diǎn)亮 的 ，但只要 動(dòng)態(tài)掃描的速度 夠快， 人眼就無(wú)法區(qū)分出來(lái)，看上去好像數(shù)碼管一直被點(diǎn)亮，不會(huì)存在 閃爍感 [15]。 圖 517 譯碼顯示模塊圖 該 模塊完成數(shù)據(jù) 的譯碼，使數(shù)碼管顯示對(duì) 應(yīng) 的數(shù)字 工作。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 14 圖 518 譯碼顯示 仿真波形 圖 由仿真波形圖分析可知： 7 段數(shù)碼管為共陽(yáng)極，當(dāng) seg_ 為 111110 時(shí)，最右邊的數(shù)碼管被點(diǎn)亮。 鬧鐘音樂(lè) 模塊 蜂鳴器 對(duì) 輸入信號(hào)頻率的不同 會(huì)發(fā)出不同音調(diào)的聲音，利用這一 原理，由分頻器 來(lái) 控制蜂鳴器 的 發(fā)聲。 本設(shè)計(jì)鬧鐘音樂(lè)選取為《豬八戒背媳婦》，其簡(jiǎn)譜如圖 519 所示。 可以用一個(gè)分頻器來(lái) 產(chǎn)生各音符 發(fā)聲 所需 要 的頻率， 但因?yàn)?各 個(gè) 音符 所 對(duì)應(yīng)的頻率 大 多 數(shù)不是 整數(shù)，分頻 的 系數(shù)又不 可能為小數(shù)，所以 必須 對(duì) 計(jì)算 所 得到的分頻 系 數(shù) 進(jìn)行 四舍五入 來(lái) 取整。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 15 表 520 各音階頻率對(duì)應(yīng)的分頻值 音符 分頻系數(shù) 音符 分頻系數(shù) 低音 6 5682 中音 5 3188 中音 1 4777 中音 6 2840 中音 2 4256 高音 3 1896 中音 3 3791 鬧鐘音樂(lè)發(fā)生器的邏 輯框圖如圖 521 所示。在 toable 模塊設(shè)立 了一個(gè)計(jì)數(shù)器（ 能夠 計(jì)數(shù) 的 最大值為 155， 相當(dāng)于有 155 個(gè)二分音符）， 此 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率選為 8Hz，因此每個(gè)計(jì)數(shù)值持續(xù) 秒，即 每個(gè) 音符 的 持續(xù)時(shí)間。仿真波形如圖 522所示。 整點(diǎn)報(bào)時(shí) 與音樂(lè)演奏 模塊 在數(shù)字鐘工作時(shí)，到達(dá)整點(diǎn)需要整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，還需要鬧鐘的開(kāi)關(guān)及音樂(lè)演奏功能。 南京大學(xué) 畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 16 圖 523 整點(diǎn)報(bào)時(shí)與音樂(lè)演奏模塊圖 該模塊能夠完成整點(diǎn)時(shí)的報(bào)時(shí)、鬧鐘設(shè)定開(kāi)關(guān)及到達(dá)鬧鐘設(shè)定時(shí)間時(shí)鬧鈴音的演奏功能，仿真波形如圖 524 所示。當(dāng)key（鬧鐘開(kāi)關(guān)鍵）為 0 時(shí)， leda 變?yōu)?0，鬧鐘打開(kāi)，鬧鐘開(kāi)指示燈點(diǎn)亮。驗(yàn)證了本模塊的邏輯功能正確。 我 覺(jué) 得 頂層模塊的設(shè)計(jì) 是本次設(shè)計(jì) 最難的地方，因?yàn)?設(shè)計(jì)頂層模塊需要把各大功能 模塊按照電路原理有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，這 看起來(lái)容易，實(shí)則 需要扎實(shí)的理論功底，而這正是我所欠缺的。 在實(shí)際操作中，從系統(tǒng) 各功能模塊 的設(shè)計(jì)到最終系統(tǒng)的調(diào)試 仿真 ，王懷登、陳珍兩位老師都給予了諸多幫助， 才 使我 的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利的完成，提高了我解決問(wèn)題的能力。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì) ，給我感觸最深的還是研究設(shè)計(jì)的態(tài)度問(wèn)題。 本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多功能數(shù)字鐘的各個(gè)功能，完成了設(shè)計(jì)的要求。希望在以后的學(xué)習(xí)和探索中能夠再進(jìn)行完善。兩位 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度讓 我受益匪淺。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到自己 無(wú)法解決的問(wèn)題，王老師與陳老師都會(huì)不厭其煩地為我講解，讓我體會(huì)到了成功解決問(wèn)題的喜悅。在畢業(yè)論文初稿寫(xiě)完之后，老師又在百忙中認(rèn)真批閱我的論文，并給予修改意見(jiàn)。 這次 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 是我大學(xué)學(xué)習(xí)生活中最寶貴的財(cái)富，對(duì) 我以后的 學(xué)