基于FPGA数字秒表设计(完整资料).doc

基于FPGA的数字秒表设计摘要：该设计是用于体育比赛的数字秒表,基于FPGA在Quartus II 9.0sp2软件下应用VHDL语言编写程序,采用ALTRA公司CycloneII系列的EP2C8Q208芯片进行了计算机仿真，并给出了相应的仿真结果。

本设计有效的克服了传统的数字秒表的缺点采用EDA技术采取自上而下的设计思路。

绘制出了具体的逻辑电路，最后又通过硬件上对其进行调试和验证。

该电路能够实现很好的计时功能,计时精度高，最长计时时间可达一个小时。

关键字：数字秒表；EDA；FPGA；VHDL；Quartus IIThe design of digital stop watch based on FPGA Abstract：This design is a digital stop watch which is used for athletic contests and is based on FPGA using VHDL language to write program in Quartus II software,adopting EP2C8Q208 chip of CycloneII series of ALTRA company for computer simulation and at the same time showing the corresponding simulation result. This design effectively overcomes the traditional digital stop watch weaknesses and takes a top-down approach to design. Draw out a particular logic circuits, and finally pass the circuits to the hardware to debug and verify it.This circuit is able to carry out excellent timing function,has high timing precision,and the longest timing time could reach an hour.Key Words: Digital stop watch；EDA；FPGA；VHDL；MAX PlusⅡ引言数字秒表是日常生活中比较常见的电子产品，其设计也是EDA技术中最基本的设计实验之一[1]。

基于FPGA的电子秒表设计摘要简而言之，电子秒表的工作原理就是不断输出连续脉冲给加法计数器，而加法计数器通过译码器来显示它所记忆的脉冲周期个数。

电子秒表是日常生活中比较常见的电子产品。

本设计秒表的逻辑结构主要由74LS00， 555定时器，RS 触发器，74LS90等器件组成。

使用了基本RS触发器作为电子秒表的开关，基本RS触发器属低电平直接触发的触发器，有直接置位，复位的功能。

整个秒表需有一个清零/ 启动信号和一个停止/保持信号装置，以便秒表能随意停止及启动，计数器的输出全都为BCD码输出，方便显示译码器连接。

本设计基于简单易行的原则，秒表显示以0.01s为最小单位，设计时，按照设计任务的次序，将各单元电路逐个进行接线和调试，即分别测试基本RS触发器、时钟发生器及计数器的逻辑功能，待各单元电路工作正常后，再将有关电路逐级连接起来进行测试……，直到测试电子秒表整个电路的功能。

最后进行总结.做到经典而没有缺憾的设计结果。

关键字：74LS00 555定时器 RS触发器 BCD码目录摘要 (1)一、引言 (3)（一）设计的背景 (3)（二）设计实现的基本功能 (4)（三）设计的结构安排 (4)二、系统硬件设计 (5)（一）总体设计 (5)（二）555定时器简简介 (9)（三）基本RS触发器 (10)（四）功能测试 (12)三、系统软件设计 (14)(一) 设计方案 (14)（二）分频模块 (14)（三）计数模块 (16)（四）启停控制模块 (17)（五）显示控制模块 (18)（六）编译仿真 (19)参考文献 (22)致谢 (23)一、引言（一）设计的背景秒表计时器是电器制造，工业自动化控制、国防、实验室及科研单位理想的计时仪器，他广泛应用于各种继电器、电磁开关、控制器、延时器、定时器等的时间测试。

有关电子秒表的发展历史，大致可以分为三个演变阶段。

1、从大型钟向小型钟演变。

2、从小型钟向袋表过度。

3、从袋表向腕表发展。

fpga秒表设计实验报告本次实验是基于FPGA设计的秒表。

秒表主要是用来计时的一种仪器，具有精准度高、显示清晰等优点。

在实验中，我们使用FPGA来实现秒表的设计。

1. 实验目的通过本次实验，我们的目的是掌握FPGA的使用方法，并设计出一个能够精准计时的秒表。

同时，也能够加深理解数字电路的基本原理和数字信号的处理方式。

2. 实验原理秒表的原理很简单，在起点按下计时键后，秒表开始计时，时间会显示在数码管或LCD屏幕上。

在终点按下停止键后，秒表停止计时。

我们需要用数字电路来实现这个过程，分为三个部分。

2.1. 时钟模块时钟模块是秒表实现的基础。

我们可以使用FPGA内置的时钟控制器IP，也可以自己实现时钟模块。

在这个实验中，我们使用了FPGA内置的时钟控制器IP。

2.2. 计时模块计时模块是实现秒表的关键。

我们可以使用FPGA内置的计数器IP，也可以自己实现计数器模块。

在这个实验中，我们使用了FPGA内置的计数器模块。

2.3. 显示模块显示模块用来显示计时结果。

我们可以使用数码管或LCD屏幕来显示计时结果。

在这个实验中，我们使用了数码管来显示计时结果。

3. 实验步骤3.1. 创建工程首先，我们需要在Vivado IDE中创建一个FPGA工程。

在创建工程时，需要选择适当的设备型号、板卡等参数。

3.2. 添加时钟控制器IP在Vivado IDE中，选择IP Catalog，搜索并添加时钟控制器IP。

3.3. 添加计数器IP在Vivado IDE中，选择IP Catalog，搜索并添加计数器IP。

3.4. 添加数码管IP在Vivado IDE中，选择IP Catalog，搜索并添加数码管IP。

3.5. 连接IP在Vivado IDE中，将时钟控制器IP、计数器IP和数码管IP进行连接。

3.6. 程序设计使用Vivado IDE中的HDL语言对秒表进行程序设计。

3.7. 烧录程序将程序烧录到FPGA中，实现秒表功能。

摘要：该设计是用于体育比赛的数字秒表,基于FPGA在Quartus II 9.0sp2软件下应用VHDL语言编写程序,采用ALTRA公司CycloneII系列的EP2C8Q208芯片进行了计算机仿真，并给出了相应的仿真结果。

本设计有效的克服了传统的数字秒表的缺点采用EDA技术采取自上而下的设计思路。

绘制出了具体的逻辑电路，最后又通过硬件上对其进行调试和验证。

该电路能够实现很好的计时功能,计时精度高，最长计时时间可达一个小时。

关键字：数字秒表；EDA；FPGA；VHDL；Quartus IIThe design of digital stop watch based on FPGA Abstract：This design is a digital stop watch which is used for athletic contests and is based on FPGA using VHDL language to write program in Quartus II software,adopting EP2C8Q208 chip of CycloneII series of ALTRA company for computer simulation and at the same time showing the corresponding simulation result. This design effectively overcomes the traditional digital stop watch weaknesses and takes a top-down approach to design. Draw out a particular logic circuits, and finally pass the circuits to the hardware to debug and verify it.This circuit is able to carry out excellent timing function,has high timing precision,and the longest timing time could reach an hour.Key Words: Digital stop watch；EDA；FPGA；VHDL；MAX PlusⅡ引言数字秒表是日常生活中比较常见的电子产品，其设计也是EDA技术中最基本的设计实验之一[1]。

现代电子技术综合实验一、性能指标（1） 秒表计时范围为：1小时；（2） 秒表精度为0.01秒；（3） 具有开始计时、停止计时控制功能，且开始计时、停止计时为一个复用按键；（4） 在正常计时显示过程中，能够在存储按键作用下存储某一计时时间；存储的时间组数为确定值或1至任意值；（5） 在读取按键作用下存储的时间能够回放显示;回放显示可手动或自动依次显示；（6） 具有复位功能；（7） 用六位数码管显示时间读数。

二、任务要求（1）完成系统方案总体设计（2）利用硬件描述语言完成控制电路的设计、仿真（3）利用开发板完成系统的硬件实现（4）进行系统调试及功能测试（5）撰写设计报告三、系统组成u 计数器单级计数器四、单元电路设计signal count: std_logic_vector(3 downto 0):="0000"; process(rst,clk) begin if rst='1' then count <= "0000"; carry_out <= '0'； elsif clk'event and clk= '1' then if carry_in = '1' then if count= "1001" then count <= "0000"; carry_out <= '1'； else count <= count+1; carry_out <= '0'； end if; end if; end if;end process; count_out<=count; 功能：对频率100Hz 的信号进行计数，计数最大值为 595999。

clk：时钟信号输入rst：复位输入端carry_in：使能端count_out(3:0):计数输出端carry_out:进位输出端主要语句：同步级联原理图：有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺异步级联原理图：u分频器功能：将系统时钟分频后，为计时模块和显示模块提供工作时钟；clk：48MHz系统时钟信号输入端clkout1k：频率1KHz信号输出端clkout100：频率100Hz信号输出端123 4512 3 4 5 1 2clk_inclk_out 10个 主要语句： if clkin'event and clkin = '1' then if cnt = 5 then cnt <= 1; clkout <=not clkout; else cnt <= cnt + 1; end if; end if;分频器实现原理：基于计数器方法实现例有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺u 使能控制e_tmp <=not e_tmp;主要语句： 功能： 在输入信号的作用下，输出信号发生翻转，产生控制计数器的使能控制信号。

基于FPGA的数字式秒表一、设计任务及要求秒表由于其计时精确，分辨率高（秒），在各种竞技场所得到了广泛的应用，本次设计的任务就是设计一个基于 FPGA 的数字式秒表。

1、基本要求：（1）性能指标：秒表的分辨率为秒，最长计时时间为秒；（2）设置启/停开关和复位开关（计数控制器）：启/停开关 S1 的使用方法与传统的机械计时器相同，即按一下启/停开关，启动计时器开始计时，再按一下启/停开关计时终止。

复位开关 S2 用来使计时器清 0，复位开关可以在任何情况下使用，即使在计时过程中，只要按一下复位开关，计时进程应立即终止，并对计时器清零。

（开关按下为 0，弹起为 1）。

（3）秒表的计时基准信号：以周期为秒（频率 100HZ）的计时脉冲作为一个比较精准的计时基准信号输入到秒位计数器的时钟端；在设计中采用分频器把 1000HZ 的时钟信号转换为 100HZ 的计时基准信号，其分频系数为 10。

（4）数码管动态显示：七段数码管采用动态扫描的方式显示，扫描需要一个比较高频率的信号，本次设计选用 1000HZ 。

为了得到 1000Hz 信号，必须对输入的时钟信号 50MHZ 进行分频。

显示模块共用 11 个管脚，其中 8 个用于连接 8 个数码管的七段 LED，还有 3 个管脚用于选择点亮哪个数码管，每隔很短的一段时间 8 个数码管交替点亮，依次循环，动态显示，由于人眼的视觉残留，可以观察到连续的测量计数器的计数值。

上电后，八个数码管中左边四个显示自己的学号后四位，在运行过程中一直不变；右边四个显示计时时间，范围 0000~9999，利用两个按钮 S1、S2 控制计时。

2、提高要求：加入小数点，计时数码管显示范围 ~。

二、 系统原理框图100Hz50MHz1000Hz 三、 电路实现四、 功能模块1、 分频器（以10分频器为例）（1）Verilog HDL 语言程序module fp10(Clk,Out10分频器);input Clk;output Out;reg Out;reg [3:0] Cout;reg Clk_En;initialOut<=0;always @(posedge Clk )beginCout <= (Cout == 4'd10) 4'd0 : (Cout + 4'd1); Clk_En <= (Cout >= 4'd5) 1'd1 : 1'd0;Out<=Clk_En;endEndmodule（2）模块化电路（3）波形仿真由波形仿真图可以看出，10分频器将1000Hz的脉冲分频成100Hz的脉冲。

标准实验报告实验项目：基于FPGA数字秒表设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

数字秒表设计
一、实验目的
1、理解计时器的原理与V erilog/VHDL的编程方法；
2、掌握多模块设计及层次设计的方法。

二、实验原理
秒计时器是由计数器和译码器、显示器组成，其核心是计数器与译码器。

60 秒计时器可由二个计数器分别完成：个位为十进制计数器，十位为6 进
制计数。

个位计数器的计数信号由实验开发板上主频20MHZ分频产生的1Hz
时钟信号提供, 十位计数器的计数信号由个位的进位信号提供。

然后由译码器
对计数结果进行译码，送LED 数码管进行显示。

Clr为清零，se t为开始。

三、实验框图
图2-1
四、实验任务
1、采用层次设计的方法，设计一个包括顶层及底层模块的60 秒计时器，底
层模块用Verilog/VHDL设计（或者选用原理图输入法中宏功能元件），顶层用原理图设计。

2、秒计时器应当具有系统复位功能；
3、每十秒发出提示信号及计满60 秒时发出报警信号。

（选做）
名
原
理
图
五、实验步骤
1.创建工程
2.选择目标器件
3.编写verilog hdl 程序
4.编译
5.生成符号文件
6.创建编辑原理图
7.设置顶层文件
8.编译
9.创建编辑波形图文件
10.使用波形图仿真
11.锁定管脚 12.编译 13.下载至芯片
六、实验结果
1.编译结果
名
仿
真
结
果
名
仿
真
结
果
文COUNT60.v （为了简便将分频器设置2分频的）。

基于FPGA的数字秒表设计硬件平台：DE2-115软件环境：Quartus II 15.1采样了较为简单的计数⽅法，详细代码就不讲解了，分为三个模块，⼀个是计数模块 count.v，⼀个是显⽰模块 disp.v，还有⼀个是顶层模块miaobiao.v。

有清零按键和暂停拨码开关。

顶层模块：1module miaobiao(2 clk,3 rst_n,4 pause,56 Hex0,7 Hex1,8 Hex2,9 Hex3,10 Hex4,11 Hex5,12 );1314input clk;15input rst_n;16input pause;1718output[6:0] Hex0;19output[6:0] Hex1;20output[6:0] Hex2;21output[6:0] Hex3;22output[6:0] Hex4;23output[6:0] Hex5;2425wire[3:0]h_sec_h;26wire[3:0]h_sec_l;2728wire[3:0]sec_h;29wire[3:0]sec_l;3031wire[3:0]fen_h;32wire[3:0]fen_l;3334 count u0(35 .clk(clk),36 .rst_n(rst_n),37 .pause(pause),3839 .h_sec_h(h_sec_h),40 .h_sec_l(h_sec_l),4142 .sec_h(sec_h),43 .sec_l(sec_l),4445 .fen_h(fen_h),46 .fen_l(fen_l)47 );4849 disp u1(5051 .h_sec_l(h_sec_l),52 .h_sec_h(h_sec_h),5354 .sec_l(sec_l),55 .sec_h(sec_h),5657 .fen_l(fen_l),58 .fen_h(fen_h),5960 .Hex0(Hex0),61 .Hex1(Hex1),62 .Hex2(Hex2),63 .Hex3(Hex3),64 .Hex4(Hex4),65 .Hex5(Hex5)66 );6768endmodulemiaobiao.v计数模块：1module count(2 clk,3 rst_n,4 pause,56 h_sec_h,7 h_sec_l,89 sec_h,10 sec_l,1112 fen_h,13 fen_l14 );1516input clk;17input rst_n;18input pause; //pause为0时正常计数，为1时暂停计数 1920output reg[3:0] h_sec_h; //百分秒低位21output reg[3:0] h_sec_l; //百分秒⾼位2223output reg[3:0] sec_h; //秒⾼位24output reg[3:0] sec_l; //秒低位2526output reg[3:0] fen_h; //分低位27output reg[3:0] fen_l; //分⾼位2829reg flag1; //flag1为百分秒向秒的进位30reg flag2; //flag2为秒向分的进位31reg[27:0] cnt; //32reg clk_100hz;3334/* 100hz 分频 */35always@(posedge clk or negedge rst_n)36if(!rst_n)37 cnt <= 28'd0;38else if(cnt == 249999)39 cnt <= 28'd0;40else41 cnt <= cnt + 1'b1;4243always@(posedge clk or negedge rst_n)44if(!rst_n)45 clk_100hz <= 1'b0;46else if(cnt == 249999)47 clk_100hz <= !clk_100hz;48else49 clk_100hz <= clk_100hz;5051/* 百分秒计数进程，每计满100，flag1产⽣⼀个进位 */52always@(posedge clk_100hz or negedge rst_n)53begin54if(!rst_n) begin55 {h_sec_h,h_sec_l} <= 8'h00;56 flag1 <= 1'b0;57end58else if(!pause) begin59if(h_sec_l == 9) begin60 h_sec_l <= 4'd0;61if(h_sec_h == 9) begin62 h_sec_h <= 4'd0;63 flag1 <= 1'b1;64end65else66 h_sec_h <= h_sec_h + 1'b1;67end68else begin69 h_sec_l <= h_sec_l + 1'b1;70 flag1 <= 1'b0;71end72end73end7475/* 秒计数进程，每计满60，flag2产⽣⼀个进位 */ 76always@(posedge flag1 or negedge rst_n)77begin78if(!rst_n) begin79 {sec_h,sec_l} <= 8'h00;80 flag2 <= 0;81end82else if(sec_l == 9) begin83 sec_l <= 4'd0;84if(sec_h == 5) begin85 sec_h <= 4'd0;86 flag2 <= 1'b1;87end88else89 sec_h <= sec_h + 1'b1;90end91else begin92 sec_l <= sec_l + 1'b1;93 flag2 <= 1'b0;94end95end9697/* 分计数进程，每计数满60，系统⾃动清零 */ 98always@(posedge flag2 or negedge rst_n)99begin100if(!rst_n) begin101 {fen_h,fen_l} <= 8'h00;102end103else if(fen_l == 9) begin104 fen_l <= 4'd0;105if(fen_h == 5)106 fen_h <= 4'd0;107else108 fen_h <= fen_h + 1'b1;109end110else111 fen_l <= fen_l + 1'b1;112end113endmodule114115116117118count.v显⽰模块：1module disp(23 h_sec_l,4 h_sec_h,56 sec_l,7 sec_h,89 fen_l,10 fen_h,1112 Hex0,13 Hex1,14 Hex2,15 Hex3,16 Hex4,17 Hex5,18 );1920input[3:0] h_sec_h;21input[3:0] h_sec_l;2223input[3:0] sec_h;24input[3:0] sec_l;2526input[3:0] fen_h;27input[3:0] fen_l;2829output reg[6:0] Hex0;30output reg[6:0] Hex1;31output reg[6:0] Hex2;32output reg[6:0] Hex3;33output reg[6:0] Hex4;34output reg[6:0] Hex5;3536always@(*) //百分秒个位控制37begin38case(h_sec_l)390:Hex0 <= 7'b1000000; //0401:Hex0 <= 7'b1111001; //1412:Hex0 <= 7'b0100100; //2423:Hex0 <= 7'b0110000; //3434:Hex0 <= 7'b0011001; //4445:Hex0 <= 7'b0010010; //5456:Hex0 <= 7'b0000010; //6467:Hex0 <= 7'b1111000; //7478:Hex0 <= 7'b0000000; //8489:Hex0 <= 7'b0010000; //949default:Hex0 <= 7'b1000000; //0 50endcase51end5253always@(*) //百分秒⼗位控制54begin55case(h_sec_h)560:Hex1 <= 7'b1000000; //0571:Hex1 <= 7'b1111001; //1582:Hex1 <= 7'b0100100; //2593:Hex1 <= 7'b0110000; //3604:Hex1 <= 7'b0011001; //4615:Hex1 <= 7'b0010010; //5626:Hex1 <= 7'b0000010; //6637:Hex1 <= 7'b1111000; //7648:Hex1 <= 7'b0000000; //8659:Hex1 <= 7'b0010000; //966default:Hex1 <= 7'b1000000; //0 67endcase68end6970always@(*) //71begin72case(sec_l)730:Hex2 <= 7'b1000000; //0741:Hex2 <= 7'b1111001; //1752:Hex2 <= 7'b0100100; //2763:Hex2 <= 7'b0110000; //3774:Hex2 <= 7'b0011001; //4785:Hex2 <= 7'b0010010; //5796:Hex2 <= 7'b0000010; //6807:Hex2 <= 7'b1111000; //7818:Hex2 <= 7'b0000000; //8829:Hex2 <= 7'b0010000; //983default:Hex2 <= 7'b1000000; //084endcase85end8687always@(*) //88begin89case(sec_h)900:Hex3 <= 7'b1000000; //0911:Hex3 <= 7'b1111001; //1922:Hex3 <= 7'b0100100; //2933:Hex3 <= 7'b0110000; //3944:Hex3 <= 7'b0011001; //4955:Hex3 <= 7'b0010010; //596default:Hex3 <= 7'b1000000; //097endcase98end99100always@(*) //101begin102case(fen_l)1030:Hex4 <= 7'b1000000; //01041:Hex4 <= 7'b1111001; //11052:Hex4 <= 7'b0100100; //21063:Hex4 <= 7'b0110000; //31074:Hex4 <= 7'b0011001; //41085:Hex4 <= 7'b0010010; //51096:Hex4 <= 7'b0000010; //61107:Hex4 <= 7'b1111000; //71118:Hex4 <= 7'b0000000; //81129:Hex4 <= 7'b0010000; //9113default:Hex4 <= 7'b1000000; //0114endcase115end116117always@(*) //118begin119case(fen_h)1200:Hex5 <= 7'b1000000; //01211:Hex5 <= 7'b1111001; //11222:Hex5 <= 7'b0100100; //21233:Hex5 <= 7'b0110000; //31244:Hex5 <= 7'b0011001; //41255:Hex5 <= 7'b0010010; //5126default:Hex5 <= 7'b1000000; //0127endcase128end129130endmoduledisp.v仿真⽤的是Modelsim SE-64 10.4，只对计数模块进⾏了仿真，不是很直观，代码如下：1 `timescale 1ns/1ns2 `define clk_period 203module count_tb;4reg clk;5reg rst_n;6reg pause;7wire[3:0] h_sec_h;8wire[3:0] h_sec_l;9wire[3:0] sec_l;10wire[3:0] sec_h;11wire[3:0] fen_h;12wire[3:0] fen_l;13 count u0(14 .clk(clk),15 .rst_n(rst_n),16 .pause(pause),17 .h_sec_h(h_sec_h),18 .h_sec_l(h_sec_l),19 .sec_h(sec_h),21 .fen_h(fen_h),22 .fen_l(fen_l)23 );2425initial26 clk = 0;27always#(`clk_period/2) clk = ~clk;2829initial30begin31 rst_n = 1'b0;32 #(`clk_period);33 rst_n = 1'b1;34 pause = 1'b1;35 #(`clk_period*5);36 pause = 1'b0;37 #(`clk_period*1000000);38 $stop;39end40endmodulecount_tb.v由于分频为100hz进⾏百分秒计数，Modelsim跑的⽐较慢，所以我将百分秒计数模块，秒计数模块，分计数模块⼀个个单独来进⾏仿真，这样速度较快，容易找到问题，功能上是可以完全实现的。

第1章绪论电子设计的必由之路是数字化已成为共识。

在数字化的道路上，我国电子设计技术的发展经历了，并将继续经历许多重大的变革与飞跃、从应用SSI通用数字电路芯片构成电路系统，到广泛地应用MCU(微控制器或单片机)，在电子系统设计上发生厂具有里程碑意义的飞跃，这一飞跃不但克服了纯SSI数字电路系统许多不可逾越的困难，同时也为电子设计技术的应用开拓了更广阔的前景。

它使得电子系统的智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃。

MCU的广便应用并没有抛弃SSI的应用，而是为它们在电于系统中找到了更合理的地位。

随着社会经济发展的延伸、各类新型电子产品的开发为我们提出了许多全新的课题和更高的要求。

FPGA/CPLD(现场可编程逻辑器件／复杂可编程逻辑器件)在EDA基础上的广泛应用．从某种意义上说，新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构，但这是—种更高层次的循环，应是一次否定之否定的运动，它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分，对MCU系统将是—种扬弃，但在电子设计的技术操作和系统构成的整体上却发生质的飞跃。

如果说MCU在逻辑的实现上是无限的话，那么高速发展的FPGA/CPLD不但包括了MCU这一特点，并兼有串、并工作方式和高速、高可靠性以及宽口径适用等诸多方面的特点、不仅如此，随着EDA 技术的发展和FPGA／CPLD在深亚微米领域的进军、它们与MCU、MPU、DSP、A／D、D／A、RAM和ROM等独立器件问的物理与功能界限正日趋模糊。

特别是软／硬IP芯核产业的迅猛发展，嵌入式通用与标准CPLD和FPGA器件的出现，片上系统已近在咫尺。

以大规模集成电路为物质基础的EDA技术终于打破了软硬件之间最后的屏障，使软硬件工程师们有了共同的语言[1]。

1.1 课题背景当前电子系统的设计正朝着速度快，容量大，体积小，质量轻，用电省的方向发展。

推动该潮流迅速发展的决定性因素就是使用了现代化的EDA设计工具。

显示。

图1系统功能结构图※基金项目:该论文受到“北京吉利学院大学生科研作者简介:刘博(1997.09—),男,北京人,北京吉利学院汽车工程学院大三在读生end if;daout<=temp;end process;end Behavioral;2.1.2六进制计数器实体声明部分与十进制计数器程序相同,不同的只有结构体中以下两行:if temp>="1001"thentemp<="0000";2.1.3分频器将FPGA开发板上的50MHz的时钟分出一个100Hz 的计数时钟和一个1KHz的扫描时钟。

entity div isPort(clr,clk:in STD_LOGIC;q1:buffer STD_LOGIC;q2:buffer STD_LOGIC);end div;architecture Behavioral of div issignal counter:integer range0to249999;signal counter2:integer range0to24999;beginprocess(clr,clk)beginif(clk='1'and clk'event)thenif clr='1'thencounter<=0;elsif counter=249999thencounter<=0;q1<=not q1;elsecounter<=counter+1;end if;end if;end process;process(clr,clk)beginif(clk='1'and clk'event)thenif clr='1'thencounter2<=0;elsif counter2=24999thencounter2<=0;q2<=not q2;elsecounter2<=counter2+1;end if;end if;end process;end Behavioral;2.1.4显示译码器将输入的BCD码转换成7段数码管对应的值输出,FPGA开发板是共阳极接法。

基于FPGA的数字秒表设计作者：唐家博来源：《卷宗》2015年第04期摘要：利用FPGA制作数字秒表，外围电路简单，可靠性高，集成度高。

本设计方法主要采用VerilogHDL语言进行仿真与设计，集成开发环境是Altera公司的quartusII。

并把最终的结果用数码管进行显示。

关键词：FPGA；VerilogHDL；数字秒表；quartusII1 引言FPGA，全称是Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列，顾名思义该芯片的内部电路逻辑是不确定的，可以通过软件进行编程，这与传统的cpu、mcu等存在着明显的差异，而后者的内部电路逻辑是确定的。

对FPGA的编程也与普通的软件编程是不一样的，对FPGA的编程实际上是对FPGA内部的电路逻辑进行编程，也就是所谓的HDL（hardware description language），即硬件描述语言。

目前主流的HDL包括VHDL与VerilogHDL，使用更为广泛的是VerilogHDL，在开发者中占80%左右的份额，而本文也将以VerilogHDL为例，介绍利用该硬件描述语言来实现数字秒表的设计。

2 设计要求与目标a、能够从0.00秒一直计时到59.99秒b、精度要求是10msc、设有清零键，能够一键清零d、设有使能键，能够提供计时暂停功能3 硬件系统的搭建时钟信号：由于数字秒表对时间精度的要求度高，所以我们采用晶体振荡器来提供时钟信号，晶体振荡器具有频率稳定、受外界影响小等特点。

我们可以通过利用数字电路元件对晶体振荡器进行分频，并得到一个1MHz的时钟信号，并利用该时钟信号进行后面的设计。

译码与显示：我们利用译码器进行译码，通过数码管进行显示。

其中译码管我们采用74HC164显示译码管。

由于每个数码管要显示的数字从0开始最大到9为止，所以我们输出信号的位宽设计为4位即可。

使能键与清零键：为提高系统的可靠性，我们采用电平触发的按键，并且我们采用异步使能与异步清零的方式，并且清零端的优先级要高于使能端的优先级。

由分析可知，秒表可分为三个部分，六十进制计数器，状态装换及锁存器组成。

其实试验程序如下所示：LIBRARY IEEE; --状态转换USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY MB ISPORT(CLK0,CLK2,RST,START,STOP,LAPE:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));END ENTITY MB;ARCHITECTURE behave OF MB ISTYPE states IS(st0,st1,st2,st3);SIGNAL current_state,next_state:states;SIGNAL C1,C0:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL D:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL EN,GT:STD_LOGIC;BEGINREG:PROCESS(CLK0) --状态机BEGINIF CLK0'EVENT AND CLK0='1' THENcurrent_state<=next_state;END IF;END PROCESS REG;COM:PROCESS(current_state)BEGINCASE current_state ISWHEN st0 =>EN<='0';GT<='0';IF START='1'THENnext_state<=st1;ELSEnext_state<=st0;END IF;WHEN st1 => EN<='1';GT<='0';IF STOP='1'THENnext_state<=st2;ELSIF RST='1' THENnext_state<=st0;ELSIF LAPE='1' THENnext_state<=st3;ELSEnext_state<=st1;END IF;WHEN st2 =>EN<='0';GT<='0';IF START='1' THENnext_state<=st1;ELSIF RST='1' THENnext_state<=st0;ELSEnext_state<=st2;END IF;WHEN st3 =>EN<='1';GT<='1';IF RST='1' THENnext_state<=st0;ELSIF START='1' THENnext_state<=st1;ELSIF STOP='1' THENnext_state<=st2;ELSEnext_state<=st3;END IF;WHEN OTHERS =>next_state<=st0;END CASE;END PROCESS COM;CNT:PROCESS(CLK2,EN,RST) --六十进制计数器BEGINIF RST='1' THENC1<="0000";C0<="0000";ELSIF EN='1' THENIF CLK2'EVENT AND CLK2='1' THENIF C0="1001" THENC0<="0000";IF C1="0101" THENC1<="0000";ELSE C1<=C1+1;END IF;ELSE C0<=C0+1;END IF;END IF;END IF;END PROCESS CNT;GATA:PROCESS(LAPE) --锁存BEGINIF LAPE'EVENT AND LAPE='1' THEND<=C1&C0;END IF;END PROCESS GATA;WITH GT SELECTQ<= C1&C0 WHEN '0',D WHEN '1';END ARCHITECTURE behave;四，实验仿真结果：程序编译后，可进行仿真，其复位开始及暂停仿真图如图8-2所示：图 8-2 复位开始及暂停仿真图Lape功能的仿真如图8-3 所示图 8-3 lape功能仿真图通过时序仿真后，就可以进行管脚锁定，最后下载到试验箱进行验证，观察到实验结果符合本实验的四个设计要求。