基于eda的数字钟程序设计

一、课题要求：

（1）技术要求：1、掌握多功能数字钟的工作原理。

2、应用EDA技术，VHDL语言编写程序。

3、层次化设计，设计原理框图。

4,、硬件设计及排版。

（2）功能要求：1、基本功能：能进行正常的时、分、秒计时功能，分别

由6个数码管显示24小时、60分钟、60秒的计数器

显示。

2、扩展功能：（1）能够利用按键实现“校时”“校分”

“清零”功能。

（2）能利用扬声器做整点报时，整点前

五秒短声，整点长声。

（3）本人工作：负责软件部分,,编写各部分模块的VHDL程序，并且锁定

引脚，将程序下载到芯片中。

二、设计方案：

原理框图:

数字钟原理框图

一共有11个小模块：分频，片选，按键，小时，分，秒，显示模块，七段显示译码器，报时，扬声，36译码器。

左边第一个是时钟信号输入端，50Mhz到分频模块。第二个为清零按键，第三个为校分按键，第四个为校时按键。

右边第一个为七段显示译码器输出端，第二个为扬声器输出端，第三个为6个数码管输出端。

中间模块为数字钟的核心，有计时，报时，校时功能。

三、单元模块设计

1、分频模块

该模块是将时钟脉冲50Mhz分频到1000、500和1，分别给报时模块和及时模块。

2、秒模块

仿真图

该模块为60进制计数器，有分频模块得到的1hz进行计时，计时输出为秒的数值，在计时到59时进位1到co端。当按下s3时，秒清零。

3.、分模块

仿真图

该模块也为60进制计数器，计时输出为分的数值。在EN信号有效且时钟来时，计数器加1、在s2按下时，EN使能端有效，实现校分功能。

4、时模块

仿真图

该模块为24进制计数器，计时输出为小时的数值，在EN信号到来时，计数器

加1，在S1按下时，EN信号有效，实现校时功能。

5、片选模块

仿真图

该模块提供数码管片选信号。

6、按键模块

仿真图

该模块是有几个门电路组成，把它编写成一个模块，到时写程序方便。该模块连接几个按键，由按键控制。

7、报时模块

仿真图

该模块为整点报时提供控制信号，当59分时，秒为50，52，54，56，58时，Q500输出“1”；秒为00时，Q1000输出“1”。这两个信号经过逻辑门实现报时

功能。

8、BBB模块

仿真图

该模块对应不同的片选信号送出不同的要显示的数据。

9、36译码器模块

仿真图

该模块为36译码器，为输出到数码管对应功能。

10、七段译码器模块

仿真图

该模块为七段译码器，输出到数码管的每一个引脚，可以正确的点亮每一个数码管。

11、扬声模块

仿真图

该模块也为几个门电路组合，控制着对扬声器的输入，当时间到达某一点时，输出不同的脉冲信号到扬声器，给予扬声器信号。

四、顶层模块设计程序图：

总体框图

顶层文件将上面11个小模块集合到一起构成了总的程序，最终也是将这个顶层文件写到FPGA芯片中。

五、硬件电路设计

由另一位同学负责，收集好器件，将器件排版在电路板上，并将其焊接成成品。

六、硬件电路安装及调试

在EDA中，将顶层文件各个输入与输出端口锁定引脚。

锁定好引脚后将整个顶层文件下载到FPGA芯片中。

注：在下载时，要注意先安装USB程序，再设置IDE环境设置，然后再programmer 中选择自己要的文件，下载时必须先安装好芯片再接电源，下载成功后，先拔电源，再拔下USB。

下载好以后，用杜邦线将硬件和芯片的引脚连接好，检查无误后进行测试。七、调试结果

为了每个模块的正确性，将一一对每个模块进行测试。将芯片与硬件连接好，检查无误后，打开电源，此时硬件上的数码管开始计时，等到秒为59时，下一秒，分为1，秒为00。然后用校时功能按键将分校分到59分，此时当秒为50时，扬声器开始响，并且到整点时，扬声器持续响一段时间。按下S3，秒清零。调试结束，基本功能能够计时，并且进位到分和时，扩展功能，按下S2和S3后能够进行分和时的校时，并且到整点时开始报时。

八、设计中遇到的问题及解决方案

我负责软件部分，开始在编写程序时根本无从下手，再找了一些资料后终于对数字钟有些了解。用EDA设计每一个模块，都需要一个一个的去仿真，看程序对不对，经常在一些小程序上出现问题。本来有好多门电路，发现放在顶层文件中比较麻烦，所以将这些门电路组成两个模块，按键模块和扬声模块，这样方便顶层文件的编写。分频模块，由于要将50MHz的脉冲分到1000Hz，500Hz，和1Hz，分频量比较大，不能仿真，只能先改小一下数据，验证程序是否正确。36译码器部分，本来使用的是38译码器，发现多了2个输入，有6个数码管，但是38译码器并不影响输出。在下载过程，锁定引脚，发现芯片上的引脚与硬件上的引脚是反的，数码管显示的是乱码。当数字钟的时分秒顺序错了以后，不需要重新锁定引脚，只要将对应的杜邦线对调一下就行了。我们校时用的按键是自锁开关，其实只要改成下拉电阻就可以了。

九、收获与体会

经过两个星期的数电课程设计，收获很大，让我们自己设计了数电模型，从软件和硬件上学到了很多知识。两个同学一个设计软件，一个设计硬件，不仅提高了学习能力，还培养了团队合作能力。我负责的是软件部分，这学期正好学习了EDA技术，把它应用到了软件的程序编写中来。我们设计的是数字钟，虽然数字钟看起来很简单，但是要把每个模块全部搞在一起还是有点难度的。开始经过上网及图书馆借书来了解数字钟的结构与工作原理，把它每一部分的模块摸透清楚后，在开始编程，写入芯片。同时还要把软件与硬件结合起来，在各自做各自的工作时还要紧密结合自己组员的工作，只有两个人的东西做完后，组合起来才算真正的完成。

首先明确好数字钟的功能，基本功能：能进行正常的时、分、秒计时功能，分别由6个数码管显示24小时、60分钟、60秒的计数器显示。扩展功能：（1）能够利用按键实现“校时”“校分”“清零”功能。（2）能利用扬声器做整点报时，整点前五秒短声，整点长声。然后设计好总的原理图，将功能全部覆盖进去，设计每个模块，用EDA中的VHDL编写程序，然后再仿真，根据仿真图检测自己的程序是否正确。当每个模块在电脑中仿真无误时，编写顶层文件，把各