基于vhdl的电子闹钟设计.docx

基于VHDL的数字闹钟设计

摘要：随着EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用领域的重要性日益突出。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。本文介绍了基于VHDL硬件描述语言设计的多功能数字闹钟的思路和技巧。在Quartus 11开发环境中编译和仿真了所设计的程序，并逐一调试验证程序的运行状况。仿真和验证的结果表明，该设计方法切实可行，该数字闹钟可以实现调时定时闹钟播放音乐功能具有一定的实际应用性。

关键字：闹钟 FPGA VHDL Quartus II

一、电子钟相关功能描述如下：
(1) 计时功能：这是本计时器设计的基本功能，可进行时、分、秒计时，并显示。
(2) 闹钟功能：如果当前时间与设置的闹钟时间相同，则扬声器发出一段音乐，并维持一分钟。
(3) 调时调分调闹钟功能：当需要校时或者要重新设置闹钟的时间时，可通过实验箱上的按键控制。
二、设计原理：
数字闹钟电路的基本结构由两个60进制计数器和一个24进制计数器组成，分别对秒、分、小时进行计时，当计时到23时59分59秒时，再来一个计数脉冲，则计数器清零，重新开始计时。秒计数器的计数时钟CLK为1Hz的标准信号。当数字闹钟处于计时状态时，秒计数器的进位输出信号作为分钟计数器的计数信号，分钟计数器的进位输出信号又作为小时计数器的计数信号时、分、秒的计时结果通过6个数码管来动态显示。数字闹钟除了能够正常计时外，还应能够对时间进行调整。因此，通过模式选择信号KEY1、KEY2控制数字钟的工作状态，即控制数字钟，使其分别工作于正常计时，调整分、时和设定闹钟分、时5个状态。当数字闹钟处于计时状态时，3个计数器允许计数，且秒、分、时计数器的计数时钟信号分别为CLK,秒的进位, 分的进位;当数字闹钟处于调整时间状态时，被调的分或时会一秒一秒地增加；当数字钟处于闹钟定时状态时，可以设定小时和分；当计时到所设定的时刻时，speak将会被赋予梁祝音乐信号用于驱动扬声器，持续1分钟。
三、实验代码：
1）顶层文件：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY clock IS
PORT ( CLK12MHZ : IN STD_LOGIC;
CLK8HZ : IN STD_LOGIC;
SPKOUT : OUT STD_LOGIC;
CLK : IN STD_LOGIC;
KEY1 : IN STD_LOGIC;
KEY2 : IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);
H1,H2,M1,M2,S1,S2: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0));
END;
ARCHITECTURE one OF clock IS
COMPONENT shizhong
PORT (clk : in std_logic;
md1 : in std_logic;
md2 : in std_logic_vector(1 downto 0);
clken : out std_logic;
h1,h2,m1,m2,s1,s2: out std_logic_vector(3 downto 0));
END COMPONENT;
COMPONENT NoteTabs
PORT ( clk : IN STD_LOGIC;
ToneIndex : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) );
END COMPONENT;
COMPONENT ToneTaba
PORT ( Index : IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ;
Tone : OUT STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);
en : in std_logic);
END COMPONENT;
COMPONENT Speakera
PORT ( clk : IN STD_LOGIC;
Tone : IN STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);
SpkS : OUT STD_LOGIC );
END COMPONENT;
SIGNAL Tone :STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);
SIGNAL ToneIndex :STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);
SIGNAL clken :STD_LOGIC;
SIGNAL en :STD_LOGIC;
BEGIN
u1 : Shizhong PORT MAP (clk=>CLK,md1=>KEY1,md2=>KEY2,clken=>en,
h1=>h1,h2=>h2,m1=>m1,m2=>m2,s1=>s1,s2=>s2);
u2 : NoteTabs PORT MAP (clk=>CLK8HZ, ToneIndex=>ToneIndex);
u3 : ToneTaba PORT MAP (Index=>ToneIndex,Tone=>Tone,en=>en);
u4 : Speakera PORT MAP (clk=>CLK12MHZ,Tone=>Tone, SpkS=>SPKOUT );
END;
2）时钟控制模块：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity shizhong is
port( clk: in std_logic;
md1:in std_logic;
md2:in std_logic_vector(1 downto 0);
clken:out std_logic;
h1,h2,m1,m2,s1,s2:out std_logic_vector(3 downto 0));
end shizhong;
architecture one of shizhong is
signal hou1:std_logic_vector(3 downto 0);
signal hou2:std_logic_vector(3 downto 0);
signal min1:std_logic_vector(3 downto 0);
signal min2:std_logic_vector(3 downto 0);
signal seth1:std_logic_vector(3 downto 0);
signal seth2:std_logic_vector(3 downto 0);
signal setm1:std_logic_vector(3 downto 0);
signal setm2:std_logic_vector(3 downto 0);
signal sec1:std_logic_vector(3 downto 0);
signal sec2:std_logic_vector(3 downto 0);
begin
-----------------------------------------------小时十位
h110:process(clk,hou2,min1,min2,sec1,sec2,md1,md2)
begin
if clk'event and clk='1' then
if (hou1="0010" and hou2="0011")and(min1="0101" and min2="1001")
and (sec1="0101" and sec2="1001") then
hou1<="0000";
elsif hou1="0010"and hou2="0011"and md1='0'
and md2="01" then--当时间为23点且处于校时状态时
hou1<="0000";
elsif (hou2="1001"and(min1="0101" and min2="1001")
and (sec1="0101" and sec2="1001"))or (hou2="1001"and md1='0' and md2="01")
then
hou1<=hou1+1;
end if;
end if;
end process h110;
-----------------------------------------------小时个位
h220:process(clk,min1,min2,sec1,sec2,md1,md2,hou1)
begin
if clk'event and clk='1' then
if (hou1="0010" and hou2="0011")and(min1="0101" and min2="1001")
and (sec1="0101" and sec2="1001") then
hou2<="0000";
elsif hou2="1001"and(min1="0101" and min2="1001")
and (sec1="0101" and sec2="1001") then
hou2<="0000";
elsif (hou2="1001"and md1='0' and md2="01")
or (hou1="0010"and hou2="0011") then
hou2<="0000";--md<='1';--
elsif ((min1="0101" and min2="1001") and (sec1="0101" and sec2="1001"))
or (md1='0' and md2="01") then
hou2<=hou2+1;--speak<=clk;--
end if;
end if;
end process h220;
-----------------------------------------------分钟十位
m110:process(clk,min2,sec1,sec2,md1,md2)
begin
if clk'event and clk='1' then
if (min1="0101" and min2="1001") and (sec1="0101" and sec2="1001") then
min1<="0000";
elsif min1="0101"and min2="1001"and (md1='0' and md2="00")then
min1<="0000";
elsif (min2="1001"and (sec1="0101" and sec2="1001"))
or (min2="1001"and md1='0' and md2="00")then
min1<=min1+1;
end if;
end if;--end if;
end process m110;
----------------------------------------------分钟个位
m220:process(clk,sec1,sec2,md1,md2)
begin
if clk'event and clk='1' then
if min2="1001"and (sec1="0101" and sec2="1001")then
min2<="0000";
elsif min2="1001"and (md1='0' and md2="00")then
min2<="0000";
else if (sec1="0101" and sec2="1001") or(md1='0' and md2="00")then
min2<=min2+1;
end if;
end if;end if;
end process m220;
---------------------------------------------秒十位
s110:process(clk)
begin
if clk'event and clk='1' then
if (sec1="0101" and sec2="1001")then
sec1<="0000";
else if sec2="1001"then
sec1<=sec1+1;
end if;
end if;end if;
end process s110;
--------------------------------------------秒个位
s220:process(clk)
begin
if clk'event and clk='1' then
if sec2="1001" then
sec2<="0000";
else sec2<=sec2+1;
end if;
end if;
end process s220;
-------------------------------------------时间设置小时部分
sethour1:process(clk,seth2)
begin
if clk'event and clk='1' then
if seth1="0010"and seth2="0011" then
seth1<="0000";
elsif seth2="1001" then
seth1<=seth1+1;
end if;
end if;
end process sethour1;
sethour2:process(clk,md1,md2,seth1)
begin
if clk'event and clk='1' then
if (seth1="0010"and seth2="0011")or seth2="1001"then
seth2<="0000";
elsif md1='1' and md2="00" then
seth2<=seth2+1;
end if;
end if;
end process sethour2;
-------------------------------------------时间设置分钟部分
setmin1:process(clk,setm2)
begin
if clk'event and clk='1' then
if setm1="0101"and setm2="1001"then
setm1<="0000";
elsif setm2="1001"then
setm1<=setm1+1;
end if;
end if;
end process setmin1;
setmin2:process(clk,md1,md2)
begin
if clk'event and clk='1'then
if setm2="1001"then
setm2<="0000";
elsif md1='1' and md2="01"then
setm2<=setm2+1;
end if;
end if;
end process setmin2;
--------------------------------------------闹铃
speaker:process(clk,hou1,hou2,min1,min2)
begin
if clk'event and clk='1'then
if seth1=hou1 and seth2=hou2 and setm1=min1 and setm2=min2 then
clken<='1';
else clken<='0';
end if;
end if;
end process speaker;
disp:process(md1,hou1,hou2,min1,min2,sec1,sec2,seth1,seth2,setm1,setm2)
begin
if md1='0' then---------------计时时间显示和设置模式
h1<=hou1;h2<=hou2;
m1<=min1;m2<=min2;
s1<=sec1;s2<=sec2;
else -----------闹铃时间现实和设置模式
h1<=seth1;h2<=seth2;
m1<=setm1;m2<=setm2;
s1<="1111";s2<="1111";
end if;
end process disp;
end one;
3）乐曲演奏模块：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY Speakera IS
PORT ( clk : IN STD_LOGIC;
Tone : IN STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);
SpkS : OUT STD_LOGIC );
END;
ARCHITECTURE one OF Speakera IS
SIGNAL PreCLK, FullSpkS : STD_LOGIC;
BEGIN
DivideCLK : PROCESS(clk)
VARIABLE Count4 : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ;
BEGIN
PreCLK <= '0'; -- 将CLK进行16分频，PreCLK为CLK的16分频
IF Count4>11 THEN PreCLK <= '1'; Count4 := "0000";
ELSIF clk'EVENT AND clk = '1' THEN Count4 := Count4 + 1;
END IF;
END PROCESS;
GenSpkS : PROCESS(PreCLK, Tone)-- 11位可预置计数器
VARIABLE Count11 : STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);
BEGIN
IF PreCLK'EVENT AND PreCLK = '1' THEN
IF Count11 = 16#7FF# THEN Count11 := Tone ; FullSpkS <= '1';
ELSE Count11 := Count11 + 1; FullSpkS <= '0'; END IF;
END IF;
END PROCESS;
DelaySpkS : PROCESS(FullSpkS)--将输出再2分频，展宽脉冲，使扬声器有足够功率发音
VARIABLE Count2 : STD_LOGIC;
BEGIN
IF FullSpkS'EVENT AND FullSpkS = '1' THEN Count2 := NOT Count2;
IF Count2 = '1' THEN SpkS <= '1';
ELSE SpkS <= '0';
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END;
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY NoteTabs IS
PORT (clk : IN STD_LOGIC;
ToneIndex : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) );
END;
ARCHITECTURE one OF NoteTabs IS
COMPONENT MUSIC --音符数据ROM
PORT(address : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
inclock : IN STD_LOGIC ;
q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0));
END COMPONENT;
SIGNAL Counter : STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
BEGIN
CNT8 : PROCESS(clk,Counter)
BEGIN
IF Counter=138 THEN Counter <= "00000000";
ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN Counter <= Counter+1; END IF;
END PROCESS;
u1 : MUSIC PORT MAP(address=>Counter , q=>ToneIndex, inclock=>clk);
END;
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY ToneTaba IS
PORT ( Index : IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ;
Tone : OUT STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0);
en : IN STD_LOGIC);
END;
ARCHITECTURE one OF ToneTaba IS
BEGIN
PROCESS(Index,en)
BEGIN
IF en='0' THEN Tone<="11111111111";--使能信号
ELSE
CASE Index IS -- 译码电路，查表方式，控制音调的预置数
WHEN "0000" => Tone<="11111111111" ;
WHEN "0001" => Tone<="01100000101" ;
WHEN "0010" => Tone<="01110010000" ;
WHEN "0011" => Tone<="10000001100" ;
WHEN "0101" => Tone<="10010101101" ;
WHEN "0110" => Tone<="10100001010" ;
WHEN "0111" => Tone<="10101011100" ;
WHEN "1000" => Tone<="10110000010" ;
WHEN "1001" => Tone<="10111001000" ;
WHEN "1010" => Tone<="11000000110" ;
WHEN "1100" => Tone<="11001010110" ;
WHEN "1101" => Tone<="11010000100" ;
WHEN "1111" => Tone<="11011000000" ;
WHEN OTHERS => NULL;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
END;
LIBRARY ieee;
程序
USE ieee.std_logic_1164.all;
LIBRARY altera_mf;
USE altera_mf.altera_mf_components.all;
ENTITY music IS
PORT
( address : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
inclock : IN STD_LOGIC ;
q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0));
END music;
ARCHITECTURE SYN OF music IS
SIGNAL sub_wire0 : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);
COMPONENT altsyncram
GENERIC (intended_device_family : STRING;
width_a : NATURAL;
widthad_a : NATURAL;
numwords_a : NATURAL;
operation_mode : STRING;
outdata_reg_a : STRING;
address_aclr_a : STRING;
outdata_aclr_a : STRING;
width_byteena_a : NATURAL;
init_file : STRING;
lpm_hint : STRING;
lpm_type : STRING);
PORT ( clock0 : IN STD_LOGIC ;
address_a : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
q_a : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0));
END COMPONENT;
BEGIN
q <= sub_wire0(3 DOWNTO 0);
altsyncram_component : altsyncram
GENERIC MAP (
intended_device_family => "Cyclone",
width_a => 4,
widthad_a => 8,
numwords_a => 256,
operation_mode => "ROM",
outdata_reg_a => "UNREGISTERED",
address_aclr_a => "NONE",
outdata_aclr_a => "NONE",
width_byteena_a => 1,
init_file => "data1.mif",
lpm_hint => "ENABLE_RUNTIME_MOD=YES, INSTANCE_NAME=rom2",
lpm_type => "altsyncram")
PORT MAP ( clock0 => inclock,
address_a => address,
q_a => sub_wire0);
END SYN;
四、实验仿真结果：
本实验是以KEY2、KEY1为控制整个闹钟的校时，校分，校闹钟时、分，分别将KEY2[1],KEY2[0],KEY1，送到实验上的三个键，由这三个键来控制整个校时，校分，校闹钟时，校闹钟分的过程，加上分别连接的键叫A,B,C键，
则当A=0，B=1,C=0时是对时钟进行校时，时个位和时十位会以二十四进制循环自动增加。仿真波形：

当A=0，B=0,C=0时是对时钟进行校分，分个位和分十位会以六十进制循环增加，并且不对时进位。仿真波形：

当A=0，B=1,C=1时是对闹钟进行校分，闹钟时个位和时十位会以二十四进制循环自动增加。仿真波形：

当A=0，B=0,C=1时是对闹钟进行校时，闹钟分个位和分十位会以六十进制循环增加，并且不对时进位。仿真波形：

而当A=1，B=0,C=0或者A=1，B=1,C=0是正常的计时时间，秒从零开始计时，每秒加一，当到达五十九在来一个脉冲后，秒十位和秒个位清零，从零开始直到六十一直循环，并且向分个位清零；分位的原理同秒的一样；而时与秒，分的不同之处是，当时计数到二十三时清零并且不向任何位进位。仿真波形：

另外当计数的时，分和闹钟所事先设置时、分相等时，“梁祝”这首歌会响起，作为闹钟并且维持一分钟，一分钟歌曲自动停止。
在有条件的情况下，为验证所设计程序是否正确，将程序下载到FPGA器件中进行硬件测试。在QuartusⅡ开发环境中进行管脚锁定，连接好数码管驱动电路，然后将目标文件下载到器件中。最终可以看到时、分、秒正常显示。引脚分配如下（选择模式5）

五、 结束语
通过本次实验，系统的复习整个EDA的知识，并且了解了CPLD可编程芯片的结构和引脚，能够熟练的运用quartus II这个软件，尤其可贵的是，学会了使用这个软件来给程序配置引脚，并且实际的通过实验箱的几个按键就可以控制整个操作的过程，终于感到自己所学到的知识可以付诸到实践了。
六、 参考资料
1 周润景《基于quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计实例》[M]电子工业出版社、
2 汪国强 《EDA技术与应用》[M]电子工业出版社
3 赵雅兴《 FPGA原理、设计与应用》[M]天津大学出版社
4 湖南科技学院电子工程与物理系.基于FPGA的仪表用多功能数字时钟的嵌入 设计[J]《电测与仪表》2008年01期
5 张子刚 基于VHDL的数字时钟的设计[J]《气象水文海洋仪器》2008年第2期