课
程
设
计
课程名称： EDA技术实用教程
题目：基于FPGA的数字钟设计系、专业：电子系应用电子技术年级、班级：
学生姓名：
指导老师：
时间： 2008年12月
目录
1、系统设计………………………………………………………..
1.1设计要求……………………………………………………
1.1.1任务………………………………………………..
1.1.2要求……………………………………………….
1.1.3题目分析…………………………………………
2、总体设计方案……………………………………………………
2.1方案一…………………………………………………………
2.2 方案二…………………………………………
2.3 方案三…………………………………………
2.4 方案四………………………………………
3、设计思路……………………………………………………
4、硬件电路的介绍……………………………………………
5、软件模块………………………………………………………
6、心得体会……………………………………………………... ７、参考文献……………………………………………………..
用VHDL语言编写的数字钟程序…………………………
摘要:EDA技术在电子系统设计领域越来越普及，本设计主要利用VHDL语言
在EDA平台上设计一个电子数字钟，它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还具有校时功能和闹钟功能。总的程序由几个各具不同功能的单元模块程序拼接而成，其中包括分频程序模块、时分秒计数和设置程序模块、比较器程序模块、三输入数据选择器程序模块、译码显示程序模块和拼接程序模块。并且使用QuartusII软件进行电路波形仿真，下载到EDA实验箱进行验证。该设计采用自顶向下、混合输入方式（原理图输入—顶层文件连接和VHDL语言输入—各模块程序设计）实现数字钟的设计、下载和调试。
关键词: FPGA芯片、VHDL语言、闹钟、模块程序
一、系统设计
1．1 设计要求
1．1．1 任务
设计并制作一个数字钟，通过设计,掌握电子设计的一般思路,学习电子设计的一般方法。
1．1．2要求
（1）基本要求
①计时功能：这是数字钟的基本功能,每隔一秒钟计时一次,并在显示屏上显示当前时间。
②校时功能：能设置实时时间作为数字钟的当前时间，具有小时、分钟的手动校准时间功能。
（2）发挥部分
①计时进制的选择功能：十二小时制或二十四小时制可选择控制；
②整点报警功能：每逢整点自动报警；
③其他创新功能。
1．1．3题目分析
题目要求设计一个能每隔一秒钟计时一次,并在显示屏上显示当前时间, 能设置实时时间作为数字钟的当前时间，具有小时、分钟的手动校准时间功能的数字钟。小时由24进制计数器、分秒由60进制计数器产生，频率是用1Hz方波频率输入组成的电路。
二、总体设计方案
方案一采用74LS90数码管译码电路构成硬件数字钟
晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定. 下图所示电路通过晶振构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路,这个电路中,电容C1,C2与晶体构成一个谐振型网络,完成对振荡频率的控制功能,由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性,从而保证了输出频率的稳定和准确. 晶体XTAL的频率选为32768HZ.该元件专为数字钟电路而设计,其频率较低,有利于减少分频器级数. 从有关手册中,可查得C1,C2均为20pF.当要求频率准确度和稳定度更高时,还可接入校正电容并采取温度补偿措施.
晶体振荡器图
通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到1Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频. 通常实现分频器的电路是计数器电路,一般采用多级2进制计数器来实现.例如,将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768(215),即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器.
本实验中采用CD4060来构成分频电路.CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高,而且CD4060还包含振荡电路所需的非门,使用更为方便. 2进制计数器,可以将32768HZ的信号分频为2HZ,其内部框图如图3-3所示,从图中可以看出,CD4060的时钟输入端两个串接的非门,因此可以直接实现振荡和分频的功能. 此方案采用中小模块集成电路，十分复杂，而且元件又难以购买，成功率不高，也不经济。
原理图如下：
方案一的电路图
方案二：采用AT89C52单片机、数码管设计数字钟。
本方案采用AT89C52单片机，单片机的P1口接数码管显示电路，P0口接键控制数码管的显示，P3口接入整点报时电路，P2接入复位和晶振电路。我们还未学习单片机的应用，所以不可取。
方案二电路图
方案三：采用555和74LS49设计数字钟
利用555设计一个多谐振荡器，其产生的秒脉冲触发计数，一个60进制的秒计数器和一个10进制的分计数器，校时电路采用秒清零后分计数，最后通过74LS49译码在数码管上显示输出。
此设计方法在实现校时步骤较多，先将秒计数器清零，然后移除由秒计数器Qc传给分计数器的脉冲CP1,将555产生的秒脉冲传给分计数器CP1，实现时借助与非逻辑门来实现，开关让电路图意思明了，三个与非门让电路更加完善。但是,此方案采用555设计的多谐振荡器，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入，虽然可以通过校时装置校时，但是电路原件颇多，难以调节．
方案三电路图
方案四:采用EDA实验箱设计数字钟
利用FPGA芯片,采用VHDL语言实现数字逻辑功能。设计分频模块、秒模块程序、扫描模块程序、显示模块程序、定时闹钟模块程序等模块实现其功能。此方案采用EDA实验箱来实现数字钟的各项功能，成功率比较高，操作也方便，也符合我们该学期的教学.
方案四整体原理框图
三、设计思路
题目要求设计要求一个12进制或24进制的具有时、分、秒计时功能，并要求能进行时、分、秒调整，每逢时有报时功能的数字钟。根据设计要求和方案比较，设计思路如下：
总体设计思路方框图
该设计中由12MHZ时钟信号、闹钟时钟切换键、调时键、调分键，四个输入信号进FPGA，FPGA输出信号送给蜂鸣器和数码管模块，在FPGA里由时、分、
秒构成计数器模块，校时功能调时、调分模块，闹钟\时钟切换模块还能调时、分准确闹铃模块，再由调时、调分、闹钟\时钟切换进行按键去抖模块，时钟信号进行分频送给时、分、秒计数器模块，整个设计逐步达到设计要求，得到具有时、分、秒可调可闹铃的数字钟。
四、硬件电路的介绍
4.1分频模块（原理图输入）
用12MHZ的时钟信号进行12000000分频得到1HZ的时钟信号,为秒计数器的个位提供时钟信号;另一路将12MHZ的时钟信号分频得到1000HZ的时钟信号,为数码管提供扫描基准频率; 另一路将12MHZ的时钟信号分频得到2HZ的时钟信号,为蜂鸣器提供闹铃信号; 另一路将12MHZ的时钟信号分频得到60HZ的时钟信号,为蜂鸣器提供闹铃信号。
4.2 去抖模块
通过设置一个移位寄存器完成延时20ms来解决按键抖动引起的乱码.
4.3 按键设置模块
通过设置两个两位的拨码开关,来控制进入秒表计时或者时间校准或者闹铃设置或者微妙计时状态。
4.4 扫描模块
通过用高频1000HZ的时钟信号来选中8位数码管，使人眼产生错觉认为8位数码管是同时亮。
4.5 秒表计时模块
通过设置秒表计时模块来实现秒表计算功能。
4.6 校时模块
通过设置四个按键来完成校时模块从而实现对分钟、小时进行校准。
4.7 闹铃设置模块
通过设置四个按键来完成校时模块从而实现对分钟、小时进行设置闹铃。
4.8 微妙计时（0.01S计时）模块
通过设置0.01S计时模块来完成马表计时。
4.9 数码管显示模块
通过设置数码管显示模块来完成对整个数字钟计时显示。
外部输入信号有1kHz／1Hz时钟信号、低电平有效的秒／微秒清零信号
CLR、低电平有效的调分信号SETmin、低电平有效的调时信号SEThour；
4.10 总体模块电路
五、软件设置
五、软件模块
本程序分为三大部分：头文件、实体、结构体。
本程序主要由7个进程完成了基本数字钟的秒表计时、校时、闹铃设置、复位、微妙计时的强大功能。
具体程序请见附件（1）。
六、心得体会
这次ＦＰＧＡ数字钟的设计历时十多天,在一周多的日子里,可以说是苦多于甜,但是可以学到很多很多的东西.在此次设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在设计中，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
此次课程设计与以往不同,没有分组一个人独立完成,这应该是老师为了更好的锻炼我们,提高我们的综合能力,当然压力就蛮大了，所以在设计中遇到了很多的难题,首先就是电路的设计, 本设计要求一个12进制或24进制的具有时、分、秒计时功能的数字钟，并要求能进行时、分、秒调整，设置闹铃功能。在方案的选择上就出难题了,通过查资料,找老师讲解,自己实验后,终于把总体模块电路图制出来,写报告到没有多大的难题,很顺利的完成，其实不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。由于时间的紧缺，并没有做到最好，但是，最起码我没有放弃，它是我的骄傲！相信以后我会以更加积极地态度对待学习、对待生活。我们的激情永远不会结束，相反，我们会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有更多的成功和快乐！快乐至上，享受过程，而不是结果！认真对待每一个过程，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我在此次课程设计上学到的最重要的东西，也是以后的一笔宝贵的财富．
总的来说，这次的ＦＰＧＡ数字钟设计还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤的指导下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。最后，对给过我帮助的各位指导老师和所有同学再次表示忠心的感谢！
七、参考文献
1. 谢自美电子线路设计实验测试(第二版) 华中科技大学出版社 2002
2. 潘松黄继业. EDA技术实用教程(第二版) 北京科学出版社 2005
3. 王锁萍电子设计自动化（EDA）教程西安电子科技大学出版社2006
4. 劳五一、劳佳编著《EDA技术实用教程》，清华大学出版社，2007年第1版；
附（1）程序如下：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity szz is
port(clk:in std_logic;--12M时钟
rst:in std_logic;--复位
key1,key2:in std_logic;--闹钟时钟切换开关调节
speak:out std_logic;--蜂鸣器
dout:out std_logic_vector(7 downto 0);--段码
selout:out std_logic_vector(2 downto 0));--位选
end szz;
architecture one of szz is
signal count:integer range 0 to 11999999;--1HZ秒
signal count1:integer range 0 to 199999;--60HZ秒
signal counf1:integer range 0 to 59999;--10ms
signal counf:integer range 0 to 1199;--10000HZ
signal sel:std_logic_vector(2 downto 0);--位选
SIGNAL md1: STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0);---
signal md2:std_logic_vector(1 downto 0);--时分加减开关调节signal zhou1:std_logic_vector(3 downto 0);--计数中小时的十位signal zhou2:std_logic_vector(3 downto 0);--小时的个位
signal zmin1:std_logic_vector(3 downto 0);--分钟的十位
signal zmin2:std_logic_vector(3 downto 0);--分钟的个位
signal zsec1:std_logic_vector(3 downto 0);--秒的十位
signal zsec2:std_logic_vector(3 downto 0);--秒的个位
signal seth1:std_logic_vector(3 downto 0);--设时中小时的十位signal seth2:std_logic_vector(3 downto 0);--小时的个位
signal setm1:std_logic_vector(3 downto 0);--分钟的十位
signal setm2:std_logic_vector(3 downto 0);--分钟的个位
signal h1:std_logic_vector(3 downto 0); ---显示小时十位
signal h2:std_logic_vector(3 downto 0);---小时的个位
signal m1:std_logic_vector(3 downto 0);--分钟的十位
signal m2:std_logic_vector(3 downto 0);--分钟的个位
signal s1:std_logic_vector(3 downto 0);--秒的十位
signal s2:std_logic_vector(3 downto 0);--秒的个位
signal s01:std_logic_vector(3 downto 0);--0.1秒
signal s02:std_logic_vector(3 downto 0);--0.01秒
SIGNAL a,b,c: STD_LOGIC_VECTOR (0 TO 3);---
signal clk1,clkk,clk60,clk5,beep,a1,b1,a2,b2,a3,b3:std_logic;
------------------------------------------------
begin
-----------------------------------------------分频
fp:process(clk)
begin
if rising_edge(clk) then
count<=count+1;
counf<=counf+1;
count1<=count1+1;
counf1<=counf1+1;
if count=11999999 then clk1<='1';---1Hz
count<=0;
beep<='1';
elsif count>5999999 then beep<='0'; ---2Hz
else clk1<='0';
end if;
if count1=199999 then clk60<='1';--60HZ
count1<=0;
else clk60<='0';
end if;
if counf1=59999 then
counf1<=0;
clk5<=not clk5;
end if;
if counf=1199 then clkk<='1';--10000HZ
counf<=0;
else clkk<='0';
end if;
end if;
end process fp;----------------------------------------------去抖PROCESS (clk5,a1,b1)
V ARIABLE a: INTEGER RANGE 0 to 3;
BEGIN
IF CLK5'EVENT AND CLK5='1' THEN
a:=a+1;
case a is
when 1 => a1<=key1;
when 2 => b1<=a1;
a1<=key1;
when others =>null;
end case;
end if;
end process;-------------------------------------------- PROCESS (clk5,a2,b2)
V ARIABLE b: INTEGER RANGE 0 to 3;
BEGIN
IF CLK5'EVENT AND CLK5='1' THEN
b:=b+1;
case b is
when 1 => a2<=key2;
when 2 => b2<=a2;
a2<=key2;
when others =>null;
end case;
end if;
end process;----------------------------------------------- PROCESS (clk5,a3,b3)
V ARIABLE c: INTEGER RANGE 0 to 3;
BEGIN
IF CLK5'EVENT AND CLK5='1' THEN
c:=c+1;
case c is
when 1 => a3<=rst;
when 2 => b3<=a3;
a3<=rst;
when others =>null;
end case;
end if;
end process;---------------------------------------------按键设置process (key1,key2)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if (key1='0' and a1='0' and b1='0') then
if md1="11" then
md1<="00";
else
md1<=md1+1;
end if;
end if;
if (key2='0' and a2='0' and b2='0') then
if md2="10" then
md2<="00";
else
md2<=md2+1;
end if;
end if;
end if;
end process;----------------------------------------------模8计数choice:process(clkk)---位选
begin
if clkk'event and clkk='1' then
if sel="111" then
sel<="000";
else
sel<=sel+1;
end if;
end if;
end process choice;-------------------------------------秒个位
s2201:process(clk1,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if zsec2="1001" then ---其中sec2是秒的个位
zsec2<="0000";
else
zsec2<=zsec2+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0')then zsec2<="0000"; ---秒个位复位
end if;
end process s2201;
---------------------------------------------秒十位
s1101:process(clk1,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if (zsec1="0101" and zsec2="1001" ) then
zsec1<="0000";
elsif zsec2="1001" then
zsec1<=zsec1+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then zsec1<="0000"; ---秒十位复位
end if;
end process s1101;
----------------------------------------------分钟个位
zm220:process(clk1,zsec1,zsec2,md1,md2,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if zmin2="1001"and (zsec1="0101" and zsec2="1001") then----其中min2是分钟的个位
zmin2<="0000";
elsif zmin2="1001" and (md1="01" and md2="00") then---
zmin2<="0000";
else if (zsec1="0101" and zsec2="1001" ) or(md1="01" and md2="00") or(md1="01" and md2="10")then
zmin2<=zmin2+1;
end if;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then zmin2<="0000";
end if;
end process zm220;
-----------------------------------------------分钟十位
zm110:process(clk1,zsec1,zsec2,md1,md2,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if (zmin1="0101" and zmin2="1001") and (zsec1="0101" and zsec2="1001") then zmin1<="0000";
elsif zmin1="0101" and zmin2="1001"and (md1="01" and md2="00") then zmin1<="0000";
elsif (zmin2="1001" and (zsec1="0101" and zsec2="1001")) or (zmin2="1001"and md1="01" and md2="00") or (zmin2="1001" and md1="01" and md2="10") then
zmin1<=zmin1+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then zmin1<="0000";
end if;
end process zm110;
-----------------------------------------------小时个位
zh220:process(clk1,zmin1,zmin2,zsec1,zsec2,md1,md2,zhou1,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if (zhou1="0010" and zhou2="0011")and(zmin1="0101" and zmin2="1001") and (zsec1="0101" and zsec2="1001") then
zhou2<="0000";
elsif zhou2="1001"and(zmin1="0101" and zmin2="1001") and (zsec1="0101" and zsec2="1001") then
zhou2<="0000";
elsif (zhou2="1001")or (zhou1="0010" and zhou2="0011" and md1="01" and md2="01") then
zhou2<="0000";
elsif ((zmin1="0101" and zmin2="1001") and (zsec1="0101" and zsec2="1001") )or (md1="01" and md2="01") then
zhou2<=zhou2+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then zhou2<="0000";
end if;
end process zh220;
-----------------------------------------------小时十位
zh110:process(clk1,zhou2,zmin1,zmin2,zsec1,zsec2,md1,md2,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if (zhou1="0010" and zhou2="0011")and(zmin1="0101" and zmin2="1001") and (zsec1="0101" and zsec2="1001") then
zhou1<="0000";
elsif zhou1="0010"and zhou2="0011"and md1="01" and md2="01" then--当时间为23点且处于校时状态时
zhou1<="0000";
elsif (zhou2="1001"and(zmin1="0101" and zmin2="1001") and (zsec1="0101" and zsec2="1001"))or ((zhou2="1001"and md1="01" and md2="01")) then zhou1<=zhou1+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then zhou1<="0000";
end if;
end process zh110;
-------------------------------------------时间设置小时部分
sethour1:process(clk1,seth1,seth2,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if seth1="0010"and seth2="0011" then
seth1<="0000";
elsif seth2="1001" then
seth1<=seth1+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then seth1<="0000";
end if;
end process sethour1;
-------------------------------------------
sethour2:process(clk1,md1,md2,seth1,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if (seth1="0010"and seth2="0011")or seth2="1001" then ---其中seth1,seth2分别是调时的小时部位的十位与个位
seth2<="0000";
elsif md1="10" and md2="00" then
seth2<=seth2+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then seth2<="0000";
end if;
end process sethour2;
-------------------------------------------时间设置分钟部分
setmin1:process(clk1,setm2,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if setm1="0101"and setm2="1001" then
setm1<="0000";
elsif setm2="1001" then
setm1<=setm1+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then setm1<="0000";
end if;
end process setmin1;
----------------------------------------------
setmin2:process(clk1,md1,md2,rst)
begin
if clk1'event and clk1='1' then
if setm2="1001" then
setm2<="0000";
elsif md1="10" and md2="01" then
setm2<=setm2+1;
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then setm2<="0000";
end if;
end process setmin2;
--------------------------------------------闹铃
speaker:process(clkk,zhou1,zhou2,zmin1,zmin2,rst)
begin
if clkk'event and clkk='1' then
if seth1=zhou1 and seth2=zhou2 and setm1=zmin1 and setm2=zmin2 then speak<=beep;
else speak<='0';
end if;
end if;
if (rst='0' and a3='0' and b3='0') then speak<='0';
end if;
end process speaker;
-------------------------------------------
disp:process(sel,md1,zhou1,zhou2,zmin1,zmin2,zsec2,zsec1)---显示
begin
if sel="000" then
selout<="000";--位选
case h1 is ---显示小时的十位
when "0000"=>dout<="00111111";---0
when "0001"=>dout<="00000110";---1
when "0010"=>dout<="01011011";---2
when others =>dout<="00000000";---不显示
end case;
elsif sel="001" then
selout<="001";
case h2 is ---显示小时的个位
when "0000"=>dout<="00111111";---0
when "0001"=>dout<="00000110";---1
when "0010"=>dout<="01011011";---2
when "0011"=>dout<="01001111";---3
when "0100"=>dout<="01100110";---4
when "0101"=>dout<="01101101";---5
when "0110"=>dout<="01111101";---6
when "0111"=>dout<="00000111";---7
when "1000"=>dout<="01111111";---8
when "1001"=>dout<="01101111";---9
when others=>dout<="00000000";---不显示
end case;
elsif sel="010" then
dout<="10000000";
elsif sel="011" then
selout<="011";
case m1 is ---显示分钟的十位
when "0000"=>dout<="00111111";
when "0001"=>dout<="00000110";
when "0010"=>dout<="01011011";
when "0011"=>dout<="01001111";
when "0100"=>dout<="01100110";
when "0101"=>dout<="01101101";
when others=>dout<="00000000";
end case;
elsif sel="100" then
selout<="100";
case m2 is ---显示分钟的个位
when "0000"=>dout<="00111111";
when "0001"=>dout<="00000110";
when "0010"=>dout<="01011011";
when "0011"=>dout<="01001111";
when "0100"=>dout<="01100110";
when "0101"=>dout<="01101101";
when "0110"=>dout<="01111101";
when "0111"=>dout<="00000111";
when "1000"=>dout<="01111111";
when "1001"=>dout<="01101111";
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