基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计 -

基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计

专业班级姓名学号

一、实验目的

1.掌握可编程逻辑器件的应用开发技术——设计输入、编译、仿真和器件编程；

2.熟悉一种EDA软件使用；

3.掌握Verilog设计方法；

4.掌握分模块分层次的设计方法；

5.用Verilog完成一个多功能数字钟设计;

6.学会FPGA的仿真。

二、实验要求

✧功能要求：

利用实验板设计实现一个能显示时分秒的多功能电子钟，基本功能：

1)准确计时，以数字形式显示时、分、秒，可通过按键选择当前显示时间范围模式；

2)计时时间范围00:00:00－23:59:59

3)可实现校正时间功能；

4)可通过实现时钟复位功能：00:00:00

扩展功能：

5)定时报：时间自定(不要求改变)，闹1分钟(1kHz)---利用板上LED或外接电路实现。

6)仿广播电台正点报时：XX:59:[51,53,55,57(500Hz);59(1kHz)] ---用板上LED或外接

7)报整点时数：XX:00:[00.5-XX.5](1kHz)，自动、手动---用板上LED或外接

8)手动输入校时；

9)手动输入定时闹钟；

10)万年历；

11)其他扩展功能；

✧设计步骤与要求：

1)计算并说明采用Basys2实验板时钟50MHz实现系统功能的基本原理。

2)在Xilinx ISE13.1 软件中，利用层次化方法，设计实现模一百计数及显示的电路系

统，设计模块间的连接调用关系，编写并输入所设计的源程序文件。

3)对源程序进行编译及仿真分析（注意合理设置，以便能够在验证逻辑的基础上尽快

得出仿真结果）。

4)输入管脚约束文件，对设计项目进行编译与逻辑综合，生成下载所需.bit文件。

5)在Basys2实验板上下载所生成的.bit文件，观察验证所设计的电路功能。

三、实验设计

功能说明：实现时钟，时间校时，闹铃定时，秒表计时等功能

1.时钟功能：完成分钟/小时的正确计数并显示；秒的显示用LED灯的闪烁做指示；

时钟利用4位数码管显示时分；

2.闹钟定时：实现定时提醒及定时报时，利用LED灯代替扬声器发出报时声音；

3.时钟校时：当认为时钟不准确时，可以分别对分钟和小时位的值进行调整；

4.秒表功能：利用4个数码管完成秒表显示：可以实现清零、暂停并记录时间等功能。

秒表利用4位数码管计数；

方案说明：本次设计由时钟模块和译码模块组成。时钟模块中50MHz的系统时钟clk分频产生一个1Hz的使能控制信号enable，并以此产生1s的脉冲second_en以实现每秒计时，控制各个模式下的计数显示。

由模式控制信号选择当前数码管显示哪个状态：

mode=00，时钟常规显示状态，

mode=01，闹铃定时状态，

mode=10，时钟校时状态，

mode=11，秒表计时状态；

时钟：利用count，smin0，smin1，shour0，shour1的计数来实现，具体情况见程序；

校时：当turn=1时，调整分位smin1、smin0；当turn=0时，调整小时位shour1、shour0；闹铃：当turn=1时，调整分位amin1、amin0；当turn=0时，调整小时位ahour1、ahour0；秒表：当pause=0时，开始计时；当pause=1时，暂停。

四、实验代码

译码模块

五、仿真

进入ISim仿真波形界面

（1）仿真，运行1ms，将波形结果调整为适合的大小。

（2）这时我们可以分别点开clock模块和display模块查看具体的信号变化是否正确。我们先看clock模块。

（3）当mode = 00时，实现正常时钟显示功能。在脉冲second_en到来时，count做计数加1，此时小时位是shour1，shour0，分钟位是smin1，smin0，将这几个相关信号在波形窗口中位置做个调整放到一起来查看。当count计数到59时，分钟位smin0实现加1变化，由0变为1；此时结果是正确的。

（4）当mode =2’b01时，实现闹铃模块。当turn=1时，调整分位amin1、amin0；当turn=0时，调整小时位ahour1、ahour0。将相关信号放在一起查看，由图可知，当turn为低时，调整小时位，ahour0计数加1，计数到9后清零且ahour1加1；当turn为高时，调整分钟位，amin0计数加1，计数到9后清零且ahouu1加1。结果显然是正确的。

（5）当mode = 2’b10时，实现校时功能。当turn=1时，调整分位smin1、smin0；当turn=0时，调整小时位shour1、shour0。将相关信号放在一起查看，由图可知，当turn为低时，调整小时位，shour0计数加1，计数到9后清零且shour1加1；当turn为高时，调整分钟位，smin0计数加1，计数到9后清零且shouu1加1。结果显然是正确的。

（6）当mode = 2’b11时，实现秒表计时功能。当pause=0时，开始计时；当pause=1时，暂停。由图可知，当pause=0时，mmin0计数加1，计数到9后清零且mmin1加1；当pause=1时，此时暂停秒表，mmin0的值保持为2。结果也是正确的。

（7）查看display模块。此时是对之前得到的4位数码管的值进行译码并显示。我们可以随机抓取发生变化的几个结果来看，比如看到625265000ns处的时间点。如下图所示：当扫描选择信号ctr为“1011”时，此时是显示数码管的第二位即h0，它的值为5，temp为“0101”，所对应的译码值为q=“0100100”，结果是正确的。