VHDL编写的数字钟

FPGA课程设计实验报告

题目：VHDL编写的数字钟设计

学院：电子信息学院

专业：电子与通讯工程

姓名：朱振军

基于FPGA的VHDL数字钟设计

一、功能介绍

1．在七段数码管上具有时--分--秒的依次显示。

2．时、分、秒的个位记满十向高位进一，分、秒的十位记满五向高位进一，小时按24进制计数，分、秒按60进制计数。

3．整点报时，当计数到整点时扬声器发出响声。

4．时间设置：可以通过按键手动调节秒和分的数值。此功能中可通过按键实现整体清零和暂停的功能。

5．LED灯循环显示：在时钟正常计数下，LED灯被依次循环点亮。

待增加功能：

1.实现手动调节闹铃时间，在制定时间使扬声器发声。

2.实现微妙的快速计数功能，可实现暂停、保存当前时间、继续计数的功能。

二、设计方案

本文数字钟的设计采用了自顶向下分模块的设计。底层是实现各功能的模块，各模块由vhdl语言编程实现：顶层采用原理图形式调用。其中底层模块包括秒、分、时三个计数器模块、按键去抖动模块、按键控制模块、时钟分频模块、数码管显示模块共7个模块。

设计框图如下：

图一数字钟系统设计框图

由图1可以清晰的看到数字钟系统设计中各功能模块间连接关系。系统时钟50MHZ经过分频后产生1秒的时钟信号，1秒的时钟信号作为秒计数模块的输入信号，秒计数模块产生的进位信号作为分计数模块的输入信号，分计数模块的进位信号作为时计数模块的输入信号。秒计数模块、分计数模块、时计数模块的计数输出分别送到显示模块。由于设计中要使用按键进行调节时间，而按键的动作过程中存在产生得脉冲的不稳定问题，所以就牵扯到按键去抖动的问题，对此系统中设置了按键去抖动模块，按键去抖动模块产生稳定的脉冲信号送入按键控制模块，按键控制模块根据按键的动作对秒、分、时进行调节。

图二数字钟的顶层设计原理图

三、设计过程

由数字钟的顶层设计原理图可知：系统的外部输入即为系统的时钟信号CLK =50MHZ,系统的外部输出有蜂鸣器信号buzzer，LED显示信号LED[3..1]和shan（与按键去抖动模块的o3相连），数码管显示信号xianshi[7..0]，数码管位选信号xuanze[7..0]。

下面将对内部功能模块进行详细说明；

1.分频模块pinlv

对系统的时钟50MHZ进行分频，设置不同长度的计数值，当系统时钟clk有变化时计数器开始计数，当计数到某个值时输出一个信号，计数值不同输出信号的周期也就不同，从而实现了对系统时钟进行不同的分频，产生不同频率的信号。

由VHDL语言生成的模块图和程序说明如下：

图三分频模块

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity pinlv is

port( clk:in std_logic;--系统时钟输入端口

clk2ms:out std_logic;

clk500ms:out std_logic;

clk1s:out std_logic);--各频率信号的输出端口

end;

architecture beh of pinlv is

begin

p1:process(clk) –进程p1

variable count1:integer range 0 to 49999999; begin

if(clk'event and clk='1')then count1:=count1+1;--在clk 的上升沿计数

if count1<=24999999 then clk1s<='0';

elsif count1<=49999999 then clk1s<='1'; else count1:=0;

--产生周期为1s的时钟信号

end if;

end if;

end process p1;--结束进程p1

p2:process(clk)—进程p2

variable count2:integer range 0 to 99999; begin

if(clk'event and clk='1')then count2:=count2+1;--在clk上升沿计数

if count2<=49999 then clk2ms<='0';

elsif count2<=99999 then clk2ms<='1';

--产生周期为2ms的扫描信号

end if;

end if;

end process p2;--结束进程p2

p3:process(clk)—进程p3

variable count3:integer range 0 to 24999999;

begin

if(clk'event and clk='1')then count3:=count3+1;在clk上升沿计数

if count3<=12499999 then

clk500ms<='0';

elsif count3<=24999999 then clk500ms<='1';

else count3:=0;

产生周期为500ms的时钟信号end if;

end if;

end process p3; end beh;

2．按键去抖动模块qudou

本设计用到FPGA开发板上的四个按键，由于按键有反应时间、抖动的问题，可能当按键被按一次时而系统感应到几次，造成误差。所以应该进行按键消抖的处理，让每按一次键系统只感应到一次按键。可以采用软件延时，触发反相器等方式进行消除抖动，本设计中采用软件延时的方式。

由VHDL语言生成的模块图和程序说明如下：

图四按键去抖动模块

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity qudou is

port(clk,k1,k2,k3,k4:in std_logic;

o1,o2,o3,o4:out

std_logic);--设置按键输入信号输出端口end;

architecture beh of qudou is

begin

process(clk,k1,k2,k3,k4)

variable cant1:integer;

variable cant2:integer;

variable cant3:integer;

variable cant4:integer;

begin

if clk'event and clk='1' then

if k1='1' then cant1:=0;

end if;--设置计数初值

if k2='1' then cant2:=0;

end if; --设置计数初值

if k3='1' then cant3:=0;

end if;

if k4='1' then cant4:=0;

end if; --设置计数初值

if cant1>2499999 then o1<='0';

else o1<='1';--延时0.5s

end if;

if cant2>2499999 then o2<='0';

else o2<='1'; --延时0.5s

end if;

if cant3>2499999 then o3<='0'; else o3<='1'; --延时0.5s

end if;

if cant4>2499999 then o4<='0'; else o4<='1'; --延时0.5s

end if;

cant1:=cant1+1; --加一计数

cant2:=cant2+1; --加一计数

cant3:=cant3+1; --加一计数

cant4:=cant4+1; --加一计数

end if;

end process;

end beh;

--设置计数初值