基于FPGA數(shù)字跑表

[基于FPGA數(shù)字跑表]專業(yè)：電子信息工程[基于FPGA數(shù)字跑表]專業(yè)：電子信息工程班級：電子xxx班學生學號：xxxx學生姓名：xxxx指導教師：xxxx完成時間：Time\@"yyyy年M月d日"xxxxx年x月xx日FPGA設計實踐報告數(shù)字跑表設計設計概述FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。VerilogHDL語言是在C語言的基礎上發(fā)展而來的。從語法結構上看，VerilogHDL繼承和借鑒了C語言的很多語法，兩者有許多的相似之處，但VerilogHDL作為一種硬件描述語言，還是有本質的區(qū)別。即可適用于綜合的電路設計，也可勝任電路和系統(tǒng)的仿真；能在多層次上對所設計的系統(tǒng)加以描述，從開關級、門級，寄存器傳輸級到行為級等都可以擔任，而且沒規(guī)模限制；靈活多變的電路描述風格，可進行行為描述，也可進行結構描述等，應用十分的廣泛。QuartusⅡ軟件是Atlera的CPLD/FPGA集成開發(fā)軟件，具有完善的可視化設計環(huán)境，并具有標準的EDA工具接口，基于QuartusⅡ進行EDA設計開發(fā)需要以下步驟:設計輸入、編譯、仿真、編程與驗證等。本次通過VerilogHDL語言編寫一個具有“百分秒、秒、分”計時功能的數(shù)字跑表，可以實現(xiàn)一個小時內(nèi)精確至百分之一秒的計時器。數(shù)字跑表的顯示可以通過編寫數(shù)碼管顯示模塊程序來實現(xiàn)，設計實現(xiàn)計數(shù)及進位的功能，通過幾個always模塊的設計實現(xiàn)一個特定用途的電子產(chǎn)品------數(shù)字跑表。二、設計功能 數(shù)字跑表是生活中常見的一種電子產(chǎn)品，特別應用與體育比賽中。本數(shù)字跑表是通過按鍵來控制計時的開始和結束，一個是復位控制按鍵，用于設計跑表為初始零狀態(tài)；另一個則是開始/停止控制按鍵，在復位控制無效的情況下，按一下開始/停止鍵則計時器開始計時，再按一下則暫停計時，再按一下則繼續(xù)計時。下面是其功能圖：具體性能如下：跑表的計時范圍為0.01s～59min59.99s，計時精度為10ms；具有異步復位清零、啟動、計時和暫停功能；輸入時鐘頻率為100Hz；要求數(shù)字跑表的輸出能夠直接驅動共陰極7段數(shù)碼管顯示.實現(xiàn)要求：分析功能要求，劃分功能模塊；編寫各模塊的VerilogHDL語言的設計程序；在QuartusⅡ軟件上完成設計和仿真；根據(jù)實驗室FPGA芯片，將設計生成配置文件，然后將配置文件下載到實驗裝置上運行，操作實驗裝置上設定的功能按鍵，驗證設計功能。三、設計方案本次設計的跑表首先要從最低位的百分秒計數(shù)器開始，按照系統(tǒng)時鐘進行計數(shù)。百分位計數(shù)到100后向秒計數(shù)器進位，秒計數(shù)器以百分秒計數(shù)器的進位位為時鐘進行計數(shù)。秒計數(shù)到60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器以秒計數(shù)器的進位位為時鐘進行計數(shù)。數(shù)字跑表巧妙地運用進位位作為時鐘來減少了計數(shù)的位數(shù)。數(shù)字跑表提供了清零位CLR和暫停/開始位PAUSE，百分秒的時鐘信號可以通過系統(tǒng)時鐘分頻提供。分頻至100Hz，即可實現(xiàn)時間計數(shù)。具體程序設計分為兩個大模塊。主要模塊說明功能的分配、內(nèi)部功能塊和對外接口關系，功能模塊具體控制實際的邏輯功能和具體的實現(xiàn)。主模塊在主程序模塊中包括兩部分，第一部分是VerilogHDL程序的邏輯結構。用if...else以及進位來實現(xiàn)百分秒計滿到99進位到秒，當秒滿59時進位到分，分滿59以后歸0.第二部分是LDE顯示部分。時鐘模塊第二大模塊是時鐘分頻模塊，本實驗利用開發(fā)板上50MHz的時鐘頻率，通過分頻程序將其分成所要求的100Hz。通過計算得到需要利用500000分之一的分頻，但是分頻后快半秒，時鐘是翻轉后的一個高電平和一個低電平所以，最后分頻是250000分之一分頻。這樣就剛好是正常的時間跳變速度。程序分析下面是程序的主要流程圖：分高位分低位秒高位秒低位百分秒高位百分秒低位MHMLSHSLMSHMSL/*信號定義CLK：時鐘信號；CLR：異步復位信號；PAUSE：暫停/啟動信號；*/moduleh(clk,clr,pause,msh,msl,sh,sl,mh,ml,led1,led2,led3,led4,led5,led6);inputclk,clr;inputpause;output[6:0]led1;output[6:0]led2;output[6:0]led3;output[6:0]led4;output[6:0]led5;output[6:0]led6;output[3:0]msh,msl,sh,sl,mh,ml;reg[6:0]led1;reg[6:0]led2;reg[6:0]led3;reg[6:0]led4;reg[6:0]led5;reg[6:0]led6;reg[3:0]msh,msl,sh,sl,mh,ml;regcn1,cn2;//cn1為百分秒向秒的進位，cn2為秒向分的進位//百分秒計數(shù)進程，每計滿100，cn1產(chǎn)生一個進位1always@(posedgeclkorposedgeclr)beginif(clr)//異步復位begin{msh,msl}<=8'h00;//從00開始計數(shù)cn1<=0;endelseif(!pause)//PAUSE為0時正常計數(shù)，為1時暫時計數(shù)beginif(msl==9)beginmsl<=0;//低位百分秒計數(shù)到10是歸零if(msh==9)beginmsh<=0;//高位百分秒計數(shù)到10是歸零cn1<=1;//CN1觸發(fā)進位endelse//低位計數(shù)到10，高位未計數(shù)到10時，高位計數(shù)msh<=msh+1;endelsebegin//低位計數(shù)未到10時，繼續(xù)計數(shù)msl<=msl+1;cn1<=0;//低位未計數(shù)到10時，CN1不產(chǎn)生進位endendend//秒計數(shù)模塊，每計數(shù)滿60，CN2產(chǎn)生一個進位always@(posedgecn1orposedgeclr)beginif(clr)begin//異步復位{sh,sl}<=8'h00;cn2<=0;endelseif(sl==9)beginsl<=0;//低位秒計數(shù)到10，低位歸零if(sh==5)beginsh<=0;//低位計數(shù)到10，高位計數(shù)到6時,高位秒歸零cn2<=1;//cn2觸發(fā)進位endelsesh<=sh+1;//低位計數(shù)到10，高位未到6時，低位計數(shù)endelsebeginsl<=sl+1;//低位未計數(shù)到10，低位計數(shù)cn2<=0;//低位未計數(shù)到10時，CN2不產(chǎn)生進位endend//分鐘計數(shù)模塊，每計滿60，系統(tǒng)自動清0always@(posedgecn2orposedgeclr)beginif(clr)begin//異步復位{mh,ml}<=8'h00;endelseif(ml==9)beginml<=0;//低位分計數(shù)到10時，低位歸零if(mh==5)mh<=0;//低位計數(shù)到10，高位計數(shù)到6時，高位歸零elsemh<=mh+1;//低位計數(shù)到10，高位未計數(shù)到6時，高位計數(shù)endelseml<=ml+1;//低位計數(shù)未到10時，低位計數(shù)end//led顯示模塊always@(msl[3:0])begincase(msl[3:0])//利用case語句控制顯示低位百分秒的0~90:led1='b1000000;1:led1='b1111001;2:led1='b0100100;3:led1='b0110000;4:led1='b0011001;5:led1='b0010010;6:led1='b0000010;7:led1='b1111000;8:led1='b0000000;9:led1='b0010000;endcaseendalways@(msh[3:0])begincase(msh[3:0])//利用case語句控制顯示高位百分秒的0~90:led2='b1000000;1:led2='b1111001;2:led2='b0100100;3:led2='b0110000;4:led2='b0011001;5:led2='b0010010;6:led2='b0000010;7:led2='b1111000;8:led2='b0000000;9:led2='b0010000;endcaseendalways@(sl[3:0])begincase(sl[3:0])//利用case語句控制顯示低位秒的0~90:led3='b1000000;1:led3='b1111001;2:led3='b0100100;3:led3='b0110000;4:led3='b0011001;5:led3='b0010010;6:led3='b0000010;7:led3='b1111000;8:led3='b0000000;9:led3='b0010000;endcaseendalways@(sh[3:0])begincase(sh[3:0])//利用case語句控制顯示高位秒的0~50:led4='b1000000;1:led4='b1111001;2:led4='b0100100;3:led4='b0110000;4:led4='b0011001;5:led4='b0010010;endcaseendalways@(ml[3:0])begincase(ml[3:0])//利用case語句控制顯示低位分的0~90:led5='b1000000;1:led5='b1111001;2:led5='b0100100;3:led5='b0110000;4:led5='b0011001;5:led5='b0010010;6:led5='b0000010;7:led5='b1111000;8:led5='b0000000;9:led5='b0010000;endcaseendalways@(mh[3:0])begincase(mh[3:0])//利用case語句控制顯示高位分的0~50:led6='b1000000;1:led6='b1111001;2:led6='b0100100;3:led6='b0110000;4:led6='b0011001;5:led6='b0010010;endcaseendendmodulemoduleled(ledin,ledout);//七段譯碼模塊input[3:0]ledin;output[6:0]ledout;reg[6:0]ledout;always@(ledin)//case語句進行譯碼begincase(ledin)//分別對應數(shù)碼管的a--g4'd0:ledout=7'b11000000;4'd1:ledout=7'b11111001;4'd2:ledout=7'b10100100;4'd3:ledout=7'b10110000;4'd4:ledout=7'b10011001;4'd5:ledout=7'b10010010;4'd6:ledout=7'b10000010;4'd7:ledout=7'b11111000;4'd8:ledout=7'b10000000;4'd9:ledout=7'b10010000;default:ledout=7'bx;endcaseendendmodule分頻模塊module clk(f50m,f100);input f50m;output f100;reg f100;reg [31:0]h;always@(posedge f50m) begin if(h==250000)//對計數(shù)器進行判斷，確定f100信號是否反轉 begin h<=0;//不計數(shù) f100<=~f100; end else//未計數(shù)到250000時，繼續(xù)計數(shù) h<=h+1; endendmodule仿真實現(xiàn)（一）系統(tǒng)的功能模塊原理圖：（二）仿真圖六、硬件實現(xiàn)（一）引腳圖（二）硬件圖圖中撥動開關右起第一個是復位功能鍵，第二個是暫