EDA24小時時鐘電路

PAGEIII河南科技大學課程設(shè)計說明書課程名稱EDA技術(shù)題目24小時時鐘電路學院車輛與動力工程學院班級農(nóng)業(yè)電氣化與自動化學生姓名陳啟彬指導(dǎo)教師王俊日期2013車輛與動力工程學院課程設(shè)計說明書課程設(shè)計題目摘要系統(tǒng)使用EDA技術(shù)設(shè)計了數(shù)字鐘，采用硬件描述語言VHDL按模塊化方式進行設(shè)計，然后進行編程，時序仿真等。利用VHDL語言完成了數(shù)字鐘的設(shè)計。該數(shù)字鐘能實現(xiàn)時、分、秒計數(shù)的顯示功能，且以12小時循環(huán)計時。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，功能齊全，精度高。關(guān)鍵字:數(shù)字鐘；EDA；VHDL；

目錄第一章緒論 1§1.2引言 1§1.2課題的背景、目的 1§1.3設(shè)計任務(wù) 1第二章總體設(shè)計 3§2.1功能設(shè)計 3§2.1.1時、分、秒計時器及整點報時功能 3§2.1.2實現(xiàn)的功能： 3§2.2總體方框圖 4§2.3設(shè)計方案 4§2.3.1晶體振蕩器 4§2.3.2頂層實體描述 5§2.4方案實現(xiàn) 7§2.4.1各模塊仿真與描述 7§2.4.2頂層電路圖 8第三章硬件測試與說明 9§3.1引腳鎖定情況 9§3.2程序下載 9§3.3測試過程與結(jié)果分析 11第四章設(shè)計結(jié)論 12參考文獻 13附錄各個模塊程序 14§4.1秒計時器 14§4.2分計時器 16§4.3時計數(shù)器 18§4.4分頻器電路 19§4.5七段數(shù)碼管顯示電路 20PAGE23第一章緒論§1.2引言隨著社會的發(fā)展，科學技術(shù)也在不斷的進步。特別是計算機產(chǎn)業(yè)，可以說是日新月異，數(shù)字鐘作為計算機的一個組成也隨之逐漸進入人們的生活，從先前的采用半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)字鐘到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的采用高集成度芯片實現(xiàn)的數(shù)字鐘。數(shù)字鐘正在向著功能強，體積小，重量輕等方向不斷發(fā)展，本設(shè)計主要介紹的是一個基于超高速硬件描述語言VHDL對數(shù)字鐘中顯示電路進行編程實現(xiàn)。近年來，集成電路和計算機應(yīng)用得到了高速發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)已邁入一個嶄新的階段，具體表現(xiàn)在：（1）電子器件及其技術(shù)的發(fā)展將更多地趨向于為EDA服務(wù)；（2）硬件電路與軟件設(shè)計過程已高度滲透；（3）電子設(shè)計技術(shù)將歸結(jié)為更加標準、規(guī)范的EDA工具和硬件描述語言VHDL的運用；（4）數(shù)字系統(tǒng)的芯片化實現(xiàn)手段已成主流。因此利用計算機和大規(guī)模復(fù)雜可編程邏輯器件進行現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計已成為電子工程類技術(shù)人員必不可少的基本技能之一?！?.2課題的背景、目的本次設(shè)計的目的就是在掌握EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)的初步使用基礎(chǔ)上，了解EDA技術(shù)，加深對計算機體系結(jié)構(gòu)的理解。通過學習的VHDL語言結(jié)合電子電路的設(shè)計知識理論聯(lián)系實際，掌握所學的課程知識，學習VHDL基本單元電路的綜合設(shè)計應(yīng)用。通過對實用數(shù)字鐘的設(shè)計，鞏固和綜合運用計算機原理的基本理論和方法，理論聯(lián)系實際，提高IC設(shè)計能力，提高分析、解決計算機技術(shù)實際問題的獨立工作能力。通過課程設(shè)計深入理解計算機的組成原理，達到課程設(shè)計的目標?！?.3設(shè)計任務(wù)用硬件描述語言設(shè)計一個具有時、分、秒計數(shù)顯示功能，以24小時循環(huán)計時的時鐘電路，要求帶有清零，以及秒、分鐘和小時校準的功能，且被校準的時間閃爍顯示(隔幾ms讓其顯示一次)，提示正在進行時鐘的校準。下載并測試電路功能，校準信號由按鍵給出，顯示由LED七段數(shù)碼管顯示，并分析芯片資源的占用情況。

第二章總體設(shè)計§2.1功能設(shè)計§2.1.1時、分、秒計時器及整點報時功能時計時器為一個24進制計數(shù)器，分、秒計時器均為60進制計數(shù)器。當秒計時器接受到一個秒脈沖時，秒計數(shù)器開始從1計數(shù)到60，此時秒顯示器將顯示00、01、02、...、59、00；每當秒計數(shù)器數(shù)到00時，就會產(chǎn)生一個脈沖輸出送至分計時器，此時分計數(shù)器數(shù)值在原有基礎(chǔ)上加1，其顯示器將顯示00、01、02、...、59、00；每當分計數(shù)器數(shù)到00時，就會產(chǎn)生一個脈沖輸出送至時計時器，此時時計數(shù)器數(shù)值在原有基礎(chǔ)上加1，其顯示器將顯示00、01、02、...、23、00。即當數(shù)字鐘運行到23點59分59秒時，當秒計時器在接受一個秒脈沖，數(shù)字鐘將自動顯示00點00分00秒。§2.1.2實現(xiàn)的功能：①時鐘計數(shù)：首先下載程序進行復(fù)位清零操作,電子鐘從00：00：00計時開始。sethour可以調(diào)整時鐘的小時部分,setmin可以調(diào)整分鐘,步進為1。由于電子鐘的最小計時單位是1s,因此提供給系統(tǒng)的內(nèi)部的時鐘頻率應(yīng)該大于1Hz,這里取100Hz。CLK端連接外部10Hz的時鐘輸入信號clk。對clk進行計數(shù),當clk=10時,秒加1,當秒加到60時,分加1；當分加到60時,時加1；當時加到24時,全部清0,從新計時。用6位數(shù)碼管分別顯示“時”、“分”、“秒”,通過OUTPUT(6DOWNTO0)上的信號來點亮指定的LED七段顯示數(shù)碼管。②時間設(shè)置：手動調(diào)節(jié)秒鐘、分鐘、小時，可以對所設(shè)計的時鐘任意調(diào)時間，這樣使數(shù)字鐘真正具有使用功能。我們可以通過實驗板上的鍵7，鍵6，鍵5，進行任意的調(diào)整，因為我們用的時鐘信號均是1HZ的，所以每LED燈變化一次就來一個脈沖，即計數(shù)一次。當開關(guān)撥至校時檔時，電子鐘秒計時工作，通過時、分校時開關(guān)分別對時、分進行校對，開關(guān)每按1次，與開關(guān)對應(yīng)的時或分計數(shù)器加1，當調(diào)至需要的時與分時，撥動reset開關(guān)，電子鐘從設(shè)置的時間開始往后計時。③清零功能：reset為復(fù)位鍵，低電平時實現(xiàn)清零功能，高電平時正常計數(shù)。可以根據(jù)我們自己任意時間的復(fù)位§2.2總體方框圖數(shù)字鐘控制電路顯示電路數(shù)字鐘控制電路顯示電路小時分鐘秒鐘調(diào)分24進制計數(shù)60進制計數(shù)60進制計數(shù)調(diào)秒調(diào)時§2.3設(shè)計方案§2.3.1晶體振蕩器晶體振蕩電路是構(gòu)成數(shù)字式時鐘的核心，它保證了時鐘走時準確及穩(wěn)定。晶體振蕩器它的作用是產(chǎn)生時間標準信號。數(shù)字鐘的精度主要取決于時間標準信號的頻率及其穩(wěn)定度。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一信號。晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的10HZ的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。如圖1.1所示晶體振蕩電路框圖。圖2.2晶體振蕩電路§2.3.2頂層實體描述整個系統(tǒng)劃分為second模塊；min模塊；hour模塊。頂層的輸入為：Clk為時鐘信號，reset為復(fù)位信號，setsecond為秒鐘置位信號，setmin為分鐘置位信號，sethour為時鐘置位信號。頂層的輸出為：Second為7位秒鐘輸出信號，隨時鐘信號從00-59跳變；Min為7位分鐘信號，驅(qū)動數(shù)碼管隨秒計數(shù)模塊來的信號從00-59跳變；Hour為6位時鐘信號，驅(qū)動數(shù)碼管隨分計數(shù)模塊來的信號從00-24跳變。①、second模塊；秒鐘時器為一個60進制計數(shù)器。我們接的時鐘脈沖頻率為1Hz,當秒計時器接受到一個秒脈沖時，也就是秒計數(shù)器加一，秒計數(shù)器開始從1計數(shù)到60，此時秒顯示器將顯示00、01、02、...、59、00；秒鐘計數(shù)器的輸入為Clk為時鐘信號，reset為復(fù)位信號，setsecond為秒置位信號，setmin為分鐘置位信號。輸出為enmin和daout。Enmin為驅(qū)動分計數(shù)器的脈沖信號和daout為秒鐘信號的輸出端口。②、min模塊；分鐘時器為一個60進制計數(shù)器。我們接的時鐘脈沖頻率為1Hz,當秒計時器接受到一個秒脈沖時，也就是秒計數(shù)器加一，秒計數(shù)器開始從1計數(shù)到59，每當秒計數(shù)器數(shù)到00時，就會產(chǎn)生一個脈沖輸出送至分計時器，此時分計數(shù)器數(shù)值在原有基礎(chǔ)上加1，其顯示器將顯示00、01、02、...、59、00；分鐘計數(shù)器的輸入為Clk為時鐘信號，Clk1為秒計數(shù)器產(chǎn)生的脈沖信號，reset為復(fù)位信號，sethour為時鐘置位信號。輸出為enhour和daout。Enhour為驅(qū)動時計數(shù)器的脈沖信號和daout為分鐘信號的輸出端口。③、hour模塊；時鐘時器為一個24進制計數(shù)器。我們接的時鐘脈沖頻率為1Hz,每當分計數(shù)器數(shù)到00時，就會產(chǎn)生一個脈沖輸出送至時計時器，此時時計數(shù)器數(shù)值在原有基礎(chǔ)上加1，其顯示器將顯示00、01、02、...、23、00；時鐘計數(shù)器的輸入為Clk為時鐘信號，reset為復(fù)位信號。輸出為daout。daout為時鐘信號的輸出端口。驅(qū)動數(shù)碼管顯示相應(yīng)的小時數(shù)?！?.4方案實現(xiàn)§2.4.1各模塊仿真與描述①秒計數(shù)器（文件名：second.vhd）秒計數(shù)器的仿真波形圖波形分析由仿真波形圖知秒計數(shù)模塊功能是利用60進制計數(shù)器完成00到59的循環(huán)計數(shù)功能，當秒計數(shù)至59時，再來一個時鐘脈沖則產(chǎn)生進位輸出，即enmin=1；reset作為復(fù)位信號低電平有效，即高電平時正常循環(huán)計數(shù)，低電平清零。②、分鐘計數(shù)器（文件名：minute.vhd）1）分鐘計數(shù)器的仿真波形圖2）波形分析由波形圖可知該模塊實現(xiàn)了分鐘計數(shù)的功能，調(diào)時信號sethour高電平有效。計數(shù)循環(huán)從00到59.③、小時計數(shù)器（文件名：hour.vhd）1）小時計數(shù)器的仿真波形圖2）波形分析小時計數(shù)模塊利用24進制計數(shù)器，通過分鐘的進位信號的輸入可實現(xiàn)從00到23的循環(huán)計數(shù)?！?.4.2頂層電路圖圖2.3頂層電路圖第三章硬件測試與說明§3.1引腳鎖定情況圖3.1引腳鎖定圖§3.2程序下載打開編輯窗和配置文件。選擇，彈出一個編輯窗。在Mode欄中選擇JTAG，并在選項下的小方框打勾。注意核對下載文件路徑與文件名。如果文件沒有出現(xiàn)或者出錯，單擊左Addfile側(cè)按鈕，手動選擇配置文件clock．sof。3.最后單擊下載標符Start，即進入對目標器件FPGA的配置下載操作。當Progress顯示100%，以及在底部的處理欄中出現(xiàn)ConfigurationSucceeded時，表示編程成功，如圖所示。注意，如果必要時，可再次單擊Start，直至編程成功。如圖3.2所示

圖3.2操作圖3、下載完成后，通過硬件測試進一步確定設(shè)計是否達到所有的技術(shù)指標，如未達到，可逐步檢查，哪部分出現(xiàn)問題。如果是代碼出現(xiàn)問題，須修改代碼；若是時序波形圖有問題，須重新設(shè)置。4下載成功后，按下鍵8，及使六個LED復(fù)位清零，顯示數(shù)秒的自動計時，可以通過6鍵設(shè)置小時數(shù)，7鍵設(shè)置分鐘數(shù)。當秒數(shù)滿60則進一位，分鐘數(shù)滿60進一位，當顯示為23:59:59時，秒數(shù)在加一則顯示00:00:00，之后從新計時。圖3.3硬件測試圖§3.3測試過程與結(jié)果分析實驗硬件cycloneEP1C3T144C8測試模式NO.5測試方式clock選用clock0，短路帽選1HZ；鍵8控制reset,鍵7控制setmin，鍵6控制sethour，鍵5控制setsecond數(shù)碼管6、5用作小時顯示，高位是小時的十位，低位是小時的個位；數(shù)碼管4、3用作分鐘顯示，高位是分鐘的十位，低位是分鐘的個位；數(shù)碼管2、1用作秒鐘顯示，高位是秒鐘的十位，低位是秒鐘的個位；測試過程（燈亮為高電平，燈滅為低電平）reset低電平清零復(fù)位，按鍵8使燈亮則時鐘開始從00-00-00計時，秒鐘計時到59時向分鐘進1，分鐘計時到59時向小時進1；鍵7用做調(diào)小時每來一個脈沖調(diào)一次調(diào)節(jié)范圍00-——23；鍵6用做調(diào)分鐘每來一個脈沖調(diào)一次調(diào)節(jié)范圍00—59鍵5用做調(diào)分鐘每來一個脈沖調(diào)一次調(diào)節(jié)范圍00-59

第四章設(shè)計結(jié)論在實驗中，我們可以通過自己的實際操作，找出問題，改正錯誤，提出改進之法，大膽創(chuàng)新，使自己的能力在實踐中成長起來。經(jīng)過這幾周的實驗，我基本了解了實驗設(shè)計過程。雖然有些實驗很簡單，但是他們體現(xiàn)了EDA設(shè)計的大概流程。通過這么多次的試驗我將一些在課堂上了解了的知識的運用到了實驗中，經(jīng)過實驗課之后，我對于VHDL語言的理解更加深刻了，本來有些不理解的理論知識，都能通過實驗得到一定解答。在實驗的過程中，有時遇到難題的時候，我們上網(wǎng)或去圖書館查找資料，或者向老師和同學們討論，在這個過程中我學習到了一些我們在課堂上學不到的知識。通過這次課程設(shè)計使我更加深刻的懂得了理論與實際相結(jié)合的重要性！只有理論知識無法實現(xiàn)相關(guān)的設(shè)計和實際操作，當把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，這樣才能把所學的理論知識更加鞏固至掌握住，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考能力。參考文獻[1]潘松黃繼業(yè)EDA技術(shù)實用教程科學出版社2006[2]楊剛VHDL數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計北京：電子工業(yè)出版社2004[3] 曾繁泰VHDL程序設(shè)計北京：清華大學出版社2001[4]潘松黃繼業(yè)EDA技術(shù)與VHDL（第3版）清華大學出版2002[5]曹欣燕DEA技術(shù)實驗與課程設(shè)計北京：清華大學出版社2006附錄（各模塊程序）§4.1秒計時器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYsecondISPORT(clk,reset,setmin,setsecond:INSTD_LOGIC;enmin:OUTSTD_LOGIC;daout:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0));ENDENTITYsecond;ARCHITECTUREfunOFsecondISSIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);SIGNALenmin_1,enmin_2:STD_LOGIC;--enmin_1為59秒時的進位信號BEGIN--enmin_2由clk調(diào)制后的手動調(diào)分脈沖信號串daout<=count;enmin_2<=(setminandclk);--setmin為手動調(diào)分控制信號，andclk的作用高電平有效enmin<=(enmin_1orenmin_2);--enmin為向分進位信號PROCESS(clk,reset,setmin,setsecond)BEGINIF(reset='0')THENcount<="0000000";--若reset為0，則異步清零ELSIF(clk'eventandclk='1')then--否則，若clk上升沿到IF(count(3downto0)="1001")then--若個位計時恰好到"1001"即9IF(count<16#60#)then--又若count小于16#60#,即60HIF(count="1011001")then--又若已到59Denmin_1<='1';count<="0000000";--則置進位為1及count復(fù)0ELSE--未到59Dcount<=count+7;--則加7，而+7=+1+6，即作"加6校正"因為個位為九此時個位需要向十位進位了即使不進時ENDIF;ELSE--若count不小于16#60#（即count等于或大于16#60#）count<="0000000";--count復(fù)0ENDIF;--ENDIF（count<16#60#）ELSIF(count<16#60#)then--若個位計數(shù)未到"1001"則轉(zhuǎn)此句再判count<=count+1;--若count<16#60#則count加1enmin_1<='0'after100ns;--沒有發(fā)生進位ELSE--否則，若count不小于16#60#count<="0000000";--則count復(fù)0ENDIF;--ENDIF（count（3DOWNTO0）="1001"）ENDIF;--ENDIF（reset='0'）IF(setsecond=’1’)EndIF；ENDPROCESS;ENDfun;§4.2分計時器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYminuteISPORT(clk,reset,sethour:INSTD_LOGIC;enhour:OUTSTD_LOGIC;daout:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0));ENDENTITYminute;ARCHITECTUREfunOFminuteISSIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);SIGNALenhour_1,enhour_2:STD_LOGIC;--enhour_1為59分時的進位信號BEGIN--enhour_2由clk調(diào)制后的手動調(diào)時脈沖信號串daout<=count; enhour_2<=(sethourandclk);--sethour為手動調(diào)時控制信號，and的作用高電平有效enhour<=(enhour_1orenhour_2);PROCESS(clk,reset,sethour)BEGINIF(reset='0')THEN--若reset為0，則異步清零count<="0000000";ELSIF(clk'eventandclk='1')THEN--否則，若clk上升沿到IF(count(3DOWNTO0)="1001")THEN--若個位計時恰好到"1001"即9IF(count<16#60#)THEN--又若count小于16#60#，即60IF(count="1011001")THEN--又若已到59Denhour_1<='1';--則置進位為1count<="0000000";--count復(fù)0ELSEcount<=count+7;--若count未到59D，則加7，即作"加6校正"ENDIF;--使前面的16#60#的個位轉(zhuǎn)變?yōu)?421BCD的容量ELSEcount<="0000000";--count復(fù)0（有此句，則對無效狀態(tài)電路可自啟動）ENDIF;--ENDIF（count<16#60#）ELSIF(count<16#60#)THENcount<=count+1;--若count<16#60#則count加1enhour_1<='0'after100ns;--沒有發(fā)生進位ELSEcount<="0000000";--否則，若count不小于16#60#count復(fù)0ENDIF;--ENDIF（count（3DOWNTO0）="1001"）ENDIF;--ENDIF（reset='0'）ENDprocess;ENDfun;§4.3時計數(shù)器LIBRARYIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYhourISPORT(clk,reset:INSTD_LOGIC;daout:outSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0));ENDENTITYhour;ARCHITECTUREfunOFhourISSIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);BEGINdaout<=count;PROCESS(clk,reset)BEGINIF(reset='0')THENcount<="000000";--若reset=0，則異步清零ELSIF(clk'eventandclk='1')THEN--否則，若clk上升沿到IF(count(3DOWNTO0)="1001")THEN--若個位計時恰好到"1001"即9IF(count<16#23#)THEN--23進制count<=count+7;--若到23D則elsecount<="000000";--復(fù)0ENDIF;ELSIF(count<16#23#)THEN--若未到23D，則count進1count<=count+1;ELSE--否則清零count<="000000";ENDIF;--ENDIF（count（3DOWNTO0）="1001"）ENDIF;--ENDIF（reset='0'）ENDPROCESS;ENDfun;§4.4分頻器電路libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityfenis port(clk:instd_logic; q:outstd_logic);endfen;architecturefen_arcoffenisbegin process(clk) variablecnt:integerrange49downto0; variablex:std_logic; begin ifclk'eventandclk='1'then ifcnt<49then cnt:=cnt+1; else cnt:=0; x:=notx; endif; endif; q<=x; endprocess;endfen_arc;§4.5七段數(shù)碼管顯示電路LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYxianmaguanISPORT(A3,A