数字电子钟逻辑电路设计EDA课程设计数字时钟.doc

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1、 目录一、课程设计任务及要求11.1实验目的11.2功能设计1二、整体设计思想12.1性能指标及功能设计12.2总体方框22.3FPGA芯片介绍2三、编译与调试33.1数字钟的基本工作原理：33.1.1调时、调分信号的产生33.1.2计数显示电路43.2设计思路43.3设计步骤53.3.1工程建立及存盘53.3.2工程项目的编译53.3.3时序仿真63.3.4引脚锁定63.3.5硬件测试63.3.6实验结果7四、程序设计8五、实验电路图165.1实验原理图165.2PCB图16六、心得体会17七、 参考文献18一、课程设计任务及要求1.1实验目的1）掌握VHDL语言的基本运用2）掌握Quart

2、usII的简单操作并会使用EDA实验箱3）掌握一个基本EDA课程设计的操作1.2功能设计要求显示格式为小时分钟秒钟，整点报时，报时时间为5 秒，即从整点前5 秒钟开始进行报时提示，LED 开始闪烁，过整点后，停止闪烁。调整时间的按键用按键模块的S1 和S2，S1 调节小时，每按下一次，小时增加一个小时，S2 调整分钟，每按下一次，分钟增加一分钟。另外用S8 按键作为系统时钟复位，复位后全部显示000000。二、整体设计思想2.1性能指标及功能设计 1）时、分、秒计时器时计时器为一个24进制计数器，分、秒计时器均为60进制计数器。当秒计时器接受到一个秒脉冲时，秒计数器开始从00计数到59，此时秒

3、显示器将显示00、01、02、.、59、00；每当秒计数器数到00时，就会产生一个脉冲输出送至分计时器，此时分计数器数值在原有基础上加1，其显示器将显示00、01、02、.、59、00；每当分计数器数到00时，就会产生一个脉冲输出送至时计时器，此时时计数器数值在原有基础上加1，其显示器将显示00、01、02、.、23、00。2）校时电路当开关拨至校时档时，电子钟秒计时工作，通过时、分校时开关分别对时、分进行校对，开关每按1次，与开关对应的时或分计数器加1，当调至需要的时与分时，拨动reset开关，电子钟从设置的时间开始往后计时。2.2总体方框2.3FPGA芯片介绍SOPC-NIOSII EDA

4、/SOPC实验开发系统是根据现代电子发展的方向，集EDA和SOPC系统开发为一体的综合性实验开发系统，除了满足高校专、本科生和研究生的SOPC教学实验开发之外，也是电子设计和电子项目开发的理想工具。整个开发系统由核心板SOPC-NiosII-EP2C35、系统板和扩展板构成，根据用户不同的需求配置成不同的开发系统。SOPC-NiosII-EP2C35开发板是在经过长期用户需求考察后，结合目前市面上以及实际应用需要，同时兼顾入门学生以及资深开发工程师的应用需求而研发的。就资源而言，它已经可以组成一个高性能的嵌入式系统，可以运行目前流行的RTOS，如uC/OS、uClinux等。系统主芯片采用67

5、2引脚、BGA封装的EP2C35 FPGA，它拥有33216个LE，105个M4K片上RAM（共计483840bits），35个1818硬件乘法器、4个高性能PLL以及多达475个用户自定义IO。板上提供了大容量的SRAM、SDRAM和Flash ROM等以及常用的RS-232、USB2.0、 RJ45接口和标准音频接口等，除去板上已经固定连接的IO，还有多达260个IO通过不同的接插件引出，供用户使用。所以，不管从性能上而言，还是从系统灵活性上而言，无论您是初学者，还是资深硬件工程师，它都会成为您的好帮手。如图2.3所示：图2.3FPGA系统功能框图三、编译与调试3.1数字钟的基本工作原理：

6、3.1.1调时、调分信号的产生由计数器的计数过程可知，正常计数时，当秒计数器（60进制）计数到59 时，再来一个脉冲，则秒计数器清零，重新开始新一轮的计数，而进位则作为分计数器的计数脉冲，使分计数器计数加1。现在我们把电路稍做变动：把秒计数器的进位脉冲和一个频率为2Hz的脉冲信号同时接到一个2选1数据选择器的两个数据输入端，而位选信号则接一个脉冲按键开关，当按键开关不按下去时（即为0），则数据选择器将秒计数器的进位脉冲送到分计数器，此时，数字钟正常工作；当按键开关按下去时（即为1），则数据选择器将另外一个2Hz 的信号作为分计数器的计数脉冲，使其计数频率加快，当达到正确时间时，松开按键开关，从

7、而达到调时的目的。调节小时的时间也一样的实现。3.1.2计数显示电路由计数部分、数据选择器、译码器组成，是时钟的关键部分。1、计数部分：由两个60进制计数器和一个24 进制计数器组成，其中60 进制计数器可用6 进制计数器和10 进制计数器构成；24 进制的小时计数同样可用6 进制计数器和10 进制计数器得到：当计数器计数到24 时，“2”和“4”同时进行清零，则可实现24 进制计数。2、数据选择器：84 输入14 输出的多路数据选择器，因为本实验用到了8个数码管（有两个用来产生隔离符号）。3、译码器：七段译码器。译码器必须能译出，由实验二中译码器真值表可得：字母F 的8421BCD 码为“1

8、111”，译码后为“1000111”，现在如果只译出，即字母F的中间一横，则译码后应为“0000001”，这样，在数码管上显示的就为。3.2设计思路根据系统设计要求,系统设计采用自顶向下设计方法,由时钟分频部分、计时部分、按键部分调时部分和显示部分五个部分组成。这些模块都放在一个顶层文件中。1）时钟计数：首先下载程序进行复位清零操作,电子钟从00：00：00计时开始。setshi可以调整时钟的小时部分, setfen可以调整分钟,步进为1。用6位数码管分别显示“时”、“分”、“秒”,通过OUTPUT( 6 DOWNTO 0 )上的信号来点亮指定的LED七段显示数码管。2） 时间设置：手动调节分

9、钟、小时，可以对所设计的时钟任意调时间，这样使数字钟真正具有使用功能。我们可以通过实验板上的S2和S1进行任意的调整，因为我们用的时钟信号均是1HZ的，所以每LED灯变化一次就来一个脉冲，即计数一次。3）清零功能：S8为复位键，低电平时实现清零功能，高电平时正常计数。可以根据我们自己任意时间的复位。3.3设计步骤3.3.1工程建立及存盘1打开 Quartus，单击“File”菜单，选择 FileNew Project Wizard，对话框如下：分别输入项目的工作路径、项目名和实体名，单击Finish。2.单击“File”菜单，选择New，弹出小对话框，双击“VHDL File，即选中了文本编辑

10、方式。在出现的“Vhdl1.vhd”文本编辑窗中键入VHDL程序，输入完毕后，选择FileSave As，即出现“Save As”对话框。选择自己建立好的存放本文件的目录，然后在文件名框中键入文件名，按“Save”按钮。3. 建立工程项目，在保存VHDL文件时会弹出是否建立项目的小窗口，点击“Yes”确定。即出现建立工程项目的导航窗口，点击“Next”，最后在出现的屏幕中分别键入新项目的工作路径、项目名和实体名。注意，原理图输入设计方法中，存盘的原理图文件名可以是任意的，但VHDL程序文本存盘的文件名必须与文件的实体名一致，输入后，单击“Finish”按钮。3.3.2工程项目的编译单击工具条上

11、的编译符号开始编译，并随着进度不断变化屏幕，编译完成后的屏幕如图所示：3.3.3时序仿真建立波形文件：选择 FileNew，在New窗中选中“Other File”标签。在出现的屏幕中选择“Vector Waveform File”项出现一新的屏幕。在出现的新屏幕中，双击“Name”下方的空白处，弹出“Insert Nod or Bus”对话框，单击该对话框的“Node Finder”。在屏幕中的 Filter 中选择 Pins，单击“List”。而后，单击“”，所有输入/输出都被拷贝到右边的一侧，这些正是我们希望的各个引脚，也可以只选其中的的一部分，根据实际情况决定。然后单击屏幕右上脚的 “

12、OK”。在出现的小屏幕上单击“OK”。 设定仿真时间宽度。选择 Edit End time选项，在End time选择窗中选择适当的仿真时间域，以便有足够长的观察时间。波形文件存盘。选择FileSave as 选项，直接存盘即可。运行仿真器。在菜单中选择项，直到出现，仿真结束。3.3.4引脚锁定将设计编程下载进选定的目标器件中，如EPF10K10，作进一步的硬件测试，将设计的所有输入输出引脚分别与目标器件的EPF10K10的部分引脚相接，操作如下：1选择 Assignments Assignments Editor ,即进入 Assignments Editor编辑器。在Category 栏选

13、择 Pin，或直接单击右上侧的 Pin 按钮。2双击 TO 栏的new,在出现的的下拉栏中选择对应的端口信号名(如 D0)；然后双击对应的栏的new,在出现的下拉栏中选择对应的端口信号名的期间引脚号。3最后存储这些引脚锁定信息后，必须再编译（启动 ）一次，才能将引脚锁定信息编译进编程下载文件中。此后就可以准备将编译好的 SOF 文件下载到试验系统的FPGA中去了。3.3.5硬件测试1.首先将下载线把计算机的打印机口与目标板（如开发板或实验板）连接好，打开电源。2.打开编辑窗和配置文件。选择，弹出一个编辑窗。在Mode栏中选择JTAG，并在选项下的小方框打勾。注意核对下载文件路径与文件名。如果文

14、件没有出现或者出错，单击左Add file侧按钮，手动选择配置文件 clocksof。 3.最后单击下载标符Start，即进入对目标器件 FPGA 的配置下载操作。当 Progress 显示100%，以及在底部的处理栏中出现 Configuration Succeeded 时，表示编程成功，如图所示。注意，如果必要时，可再次单击 Start ，直至编程成功。4下载完成后，通过硬件测试进一步确定设计是否达到所有的技术指标，如未达到，可逐步检查，哪部分出现问题。如果是代码出现问题，须修改代码；若是时序波形图有问题，须重新设置。3.3.6实验结果键s8为复位按键,键s1设置小时，键s2设置分钟。下载

15、成功后，按下键s8，即使六个LED复位清零，显示数秒的自动计时。当秒数满59则进一位，分钟数满59进一位，当显示为xx:59:55时，外接的LED小灯开始闪烁，过整点以后停止闪烁。调试实物图如图3.3.6所示： 图3.3.6调试实物图四、程序设计1. （1）秒计数器（miao）VHDL 程序描述library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity miao is port( clk,reset,setfen:in std_logic; enfen:out std_logic; cou

16、ntmiao:out std_logic_vector(7 downto 0) ); end miao; architecture fun of miao is signal count:std_logic_vector(7 downto 0); signal enfen_1,enfen_2:std_logic; begin countmiao=count; enfen_2=(setfen and clk); enfen=(enfen_1 or enfen_2); process(clk,reset,setfen) begin if(reset=0) then count=00000000;

17、enfen_1=0; elsif(clkevent and clk=1) then if(count(3 downto 0)=1001) then if(count16#60#) then if(count=01011001) then count=00000000; enfen_1=1; else count=count+7; end if; else count=00000000;enfen_1=0; end if; elsif(count16#60#) then count=count+1; enfen_1=0; else count=00000000; enfen_1=1; end i

18、f; end if; end process; end fun;（2）秒计数器（miao）仿真波形图（3）秒计数器（miao）仿真分析 1、随着 clk 脉冲信号的不断到来，countmiao 记录出 clk 的脉冲个数，计数 到 59 时，在下一个 clk 脉冲信号到来时，输出端 enfen 输出高定平，即向分进 位，同时 countmiao 清零。 2、 reset 为清零端， reset 低电平时， 当 countmiao 计数从零重新开始计数。 3、setfen 为分的手动进位端，当 setfen 高定平时且 clk 脉冲到来时，输出 enfen 高电平，向分进位。2. (1)分计数器

19、（fen）VHDL 程序描述 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity fen is port( imiao,clk,reset,setshi:in std_logic; enshi:out std_logic; countfen:out std_logic_vector(7 downto 0) ); end fen; architecture fun of fen is signal enshi_1,enshi_2:std_logic; signal count:std

20、_logic_vector(7 downto 0); begin countfen=count; enshi_2=(setshi and clk); enshi=(enshi_1 or enshi_2); process(imiao,reset,setshi) begin if(reset=0) then count=00000000; elsif(imiaoevent and imiao=1) then if(count(3 downto 0)=1001) then if(count16#60#) then if(count=01011001) then count=00000000; en

21、shi_1=1; else count=count+7; end if; else count=00000000; end if; elsif(count16#60#) then count=count+1; enshi_1=0; else count=00000000; end if; end if; end process; end fun;（2）分计数器（fen）仿真波形图(3)分计数器（fen）仿真分析 1、imiao 为秒计数器的 enfen 进位输出端，当 enfen（imiao）高电平到来 时， clk 高电平时， 且 countfen 开始计数。 countfen 计数到 59

22、 时， 下一个 enfen （imiao）、clk 到来时，enshi 高电平，即向时进位，同时 countfen 清零。 2、reset 为清零端，当 reset 低电平时，countfen 计数从零重新开始计数。 3、setshi 为时的手动进位端，当 setshi 高定平时且 clk 脉冲到来时，输出 en 时高电平，向时进位。3.（1）时计数器（shi）VHDL 程序描述library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity shi is port( ifen,reset:in

23、 std_logic; countshi:out std_logic_vector(7 downto 0) ); end shi; architecture fun of shi is signal count:std_logic_vector(7 downto 0); begin countshi=count; process(ifen,reset) begin if(reset=0) then count=00000000; elsif(ifenevent and ifen=1) then if(count(3 downto 0)=1001) then if(count16#23#) th

24、en count=count+7; else count=00000000; end if; elsif(count16#23#) then count=count+1; else count=00000000; end if; end if; end process; end fun;（2）时计数器（shi）仿真扫描显示译码器（saomiao）仿真（3）时计数器（shi）仿真分析 1、ifen 为分计数器的 enshi 进位输出端，当 enshi（ifen）为高电平时， countshi 计数。countshi 计数到 23 时，当下一个 enshi（ifen）、clk 到来时， count

25、shi 会自动清零。 2、reset 为清零端，当 reset 低电平时，countfen 计数从零重新开始计数。4.整点报时（1）整点报时器（baoshi）VHDL 程序描述 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; Entity baoshi is port( clk:in std_logic; inputmiao,inputfen:in std_logic_vector(6 downto 0); output:out std_logic_vector(1 downto 0) );

26、 end baoshi; architecture fun of baoshi is signal temp:std_logic_vector(1 downto 0); signal nummiao,numfen:std_logic_vector(7 downto 0); begin nummiao=inputmiao; numfen=inputfen; outputtemptemptemptemptemp=00; end case; end if; end if; end process; end fun; 11（2）整点报时器（baoshi）仿真波形图（3）整点报时器（baoshi）仿真分

27、析 input 为分计数器的输出端，当输出 58、59 和 00（十六进制）时，整点报 时器（baoshi）的输出端 output 为高电平，点亮 LED 灯。当 intput 为 58、59 时，点亮一个 LED 灯，当 input 为 00 时，点亮两个 LED 灯。其他情况时，LED 灯均不发光。4. （1）分频器（fenpin）设计 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity fenpin is port( clk_5M:in std_logic; clk:out

28、std_logic ); end fenpin; architecture fun of fenpin is signal count:std_logic_vector(22 downto 0); begin process(clk_5M) begin if (clk_5Mevent and clk_5M=1) then if(count=10011000100101100111111) then count=00000000000000000000000; clk=1; else count= count+1; clk=0; end if;end if;end process; end fu

29、n;5. （1）扫描显示译码器（saomiao）VHDL 程序描述扫描显示译码器是用来显示时钟数值的装置，将数字时钟的高低电平信号用 数码管的数值显示出来。八个数码管中，用六个数码管显示时、分和秒，另外两 个可做为时和分、分和秒之间的间隔，始终不显示。 首先对八个数码管进行扫描，每一时刻都只有一个数码管处于扫描状态，并 将此时的数字时钟的高低电平通过十六进制的 BCD 码转换为数码管显示数值。library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity saomiao is port( cl

30、k_smxs:in std_logic; shi:in std_logic_vector(7 downto 0); fen:in std_logic_vector(7 downto 0); miao:in std_logic_vector(7 downto 0); selout:out std_logic_vector(7 downto 0); segout:out std_logic_vector(6 downto 0) ); end saomiao; architecture fun of saomiao is signal temp:std_logic_vector(2 downto 0

31、); signal seg:std_logic_vector(6 downto 0); signal sel:std_logic_vector(7 downto 0); begin selout=sel; segout=111 then temp=000; else tempnum:=shi(7 downto 4); selnum:=shi(3 downto 0); selnum:=fen(7 downto 4); selnum:=fen(3 downto 0); selnum:=miao(7 downto 4); selnum:=miao(3 downto 0); selselsegsegs

32、egsegsegsegsegsegsegsegseg=0000000; end case; end if; end process; end fun;（2）扫描显示译码器（saomiao）仿真波形图6.数字时钟整体设计 、数字时钟整体设计：（1）数字时钟的电路原理图：（2）数字时钟的电路仿真波形五、实验电路图5.1实验原理图5.2PCB图六、 心得体会七、 参考文献1蒋立平.数字电路. 北京：兵器工业出版社，2008 2南京理工大学电子技术中心.EDA设计实验指导书.20103 侯伯亨，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计西安：西安电子科技大学出版社,19994潘松，黄继业EDA技术实用教程北京：科学出版社，20025卢杰，赖毅VHDL与数字电路设计北京：科学出版社，200618