基于VHDL语言实现数字电子钟的设计.doc

实习 成 绩 评 定 表

评定项目
内 容
满 分
评 分
总 分
学习态度
学习认真，态度端正，遵守纪律
10

答疑和设计情况
认真查阅资料，勤学好问，提出的问题有一定的深度，分析解决问题的能力教强。
40

说明书
质量
设计方案正确、表达清楚；设计思路、实验（论证）方法科学合理；达到课程设计任务书规定的要求；图、表、文字表达准确规范，上交及时。
40

回答问题情况
回答问题准确，基本概念清楚，有理有据，有一定深度。
10

总成绩
采用等级评分标准，分为优、良、中、及格、不及格五个等级。

指导教师评语：

签 名：
年 月 日

基于VHDL语言实现数字电子钟的设计
［摘要］：VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版）之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。
随着基于PLD的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等领域的重要性日益突出。本文详细介绍EDA课程设计任务——数字钟的设计的详细设计过程及结果，并总结出心得体会。
　［关键字］：EDA技术；VHDL语言；数字钟
　　EDA技术作为现代电子设计技术的核心，它依赖强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。
1]笔者详细介绍在QUARTUS II软件环境下开发基于VHDL语言数字钟的设计。
一．设计要求：
1、设计内容
选用合适的可编程逻辑器件及外围电子元器件，设计一个数字电子钟，利用EDA软件（QUARTUS Ⅱ）进行编译及仿真，设计输入可采用VHDL硬件描述语言输入法）和原理图输入法，并下载到EDA实验开发系统，连接外围电路，完成实际测试。
2、设计要求
（1）具有时、分、秒计数显示功能。
（2）具有清零的功能，且能够对计时系统的小时、分钟进行调整。
（3）小时为十二小时制。
二．实验目的：
1.通过这次EDA设计中，提高手动能力。
2.深入了解时事时钟的工作原理，以及时事时钟外围硬件设备的组成。
3.掌握多位计数器相连的设计方法。
4.掌握十进制，六进制，二十四进制计数器的设计方法。
5.继续巩固多位共阴极扫描显示数码管的驱动，及编码。
6.掌握扬声器的驱动。
7.LED灯的花样显示。
8.掌握CPLD技术的层次化设计方法
三.实验方案：
数字系统的设计采用自顶向下、由粗到细, 逐步分解的设计方法, 最顶层电路是指系统的整体要求, 最下层是具体的逻辑电路的实现。自顶向下的设计方法将一个复杂的系统逐渐分解成若干功能模块, 从而进行设计描述, 并且应用EDA 软件平台自动完成各功能模块的逻辑综合与优化, 门级电路的布局, 再下载到硬件中实现设计。因此对于数字钟来说首先是时分秒的计数功能，然后能显示，附带功能是清零、调整时分。通过参考EDA课程设计指导书，现有以下方案：
1.作为顶层文件有输入端口：时钟信号，清零按键，调时按键，调分按键；输出端口有：用于接数码管的八段码输出口，扫描用于显示的六个数码管的输出口。
2.底层文件分为：
（1） 时间计数模块。分秒计数模块计数为60计数，时计数模块为12计数。
（2） 显示模块。显示模块由一个六进制计数器模块和一个七段译码器组成。进制计数器为六选一选择器的选择判断端提供输入信号, 六选一选择器的选择输出端分别接秒个位、秒十位、分个位、分十位和时个位、时十位的选通位用来完成动态扫描显示，同时依次输出秒个位、秒十位、分个位、分十位和时个位、时十位数向给译码模块。
（3）报警模块当时间到整点时就报时。输入有时分秒计数，时钟脉冲。
（4）采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以不用此种作为显示.采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,但无法显示图形文字，在显示星期是也只能用数字表示，而且采用动态扫描法与单片机连接时,在编程时比较复杂。所以也不采用了LED数码管作为显示。采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示文字,图形,显示多样,清晰可见,所以在此设计中采用LCD液晶显示屏。
四．实验原理：
1. 实验主控系统原理图 ：
秒计数
分计数
时计数
送数及六选一选择器
整点报警
数码管

秒脉冲
分脉冲
时脉冲
秒脉冲
时计数
秒计数
分计数
译码
传数
扫描
扬声器
2.模块化设计原理图：

以上为方案原理图，秒计数、分计数模块为60计数，计满后分别产生分脉冲、时脉 ，用于分计数、时计数。各计数器同时将计数值送报时模块和送数及六选一选择器模块。送数及六选一选择器模块依次将秒分时数送往译码模块译码，同时产生扫描信号用于数码管扫描显示。整点报警在整点时刻将秒脉冲信号送扬声器声音报警。
（1）秒计数模块：

Second模块为秒计数模块。Clk作为秒脉冲，reset复位，setmin用于调整分钟，接按键，enmin是当秒计数记到59后产生分脉冲，秒计数重新从0开始计数。Daout为秒计数。
（2）分计数模块：

分计数为分计数模块。Clk作为分脉冲，接second模块的enmin,reset用于复位，sethour用于调整小时，接按键，enhour是当分计数记到59后产生时脉冲，分计数重新从0开始计数。Daout为分计数。
（3）时计数模块：

时计数为时计数模块，clk为时脉冲，接minute模块的enhour，reset复位，daout为时计数。
五．硬件要求：
在同一EPLD芯片EPF10K10上集成了如下电路模块：
1．时钟计数： 秒——60进制BCD码计数；
分——60进制BCDD码计数；
时——24进制BCDD码计数；
同时整个计数器有清零，调分，调时功能。在接近整数时间能提供报时信号。
2．具有驱动8位八段共阴扫描数码管的片选驱动信号输出和八段字形译码输 出。编码和扫描可参照“实验四”。
3．扬生器在整点时有报时驱动信号产生。
六．实验源程序及流程图:
1.实验源程序（VHDL）
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
entity daclk is
port( Clk : in std_logic; --时钟输入
Rst : in std_logic; --复位输入
S1,S2 : in std_logic; --时间调节输入
SPK : out std_logic; --扬声器输出
Display : out std_logic_vector(7 downto 0); --八段码管显示输出
SEG_SEL : buffer std_logic_vector(2 downto 0) ; --八段码管扫描驱动
lam :out std_logic_vector(2 downto 0) );
end daclk;
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
architecture behave of daclk is
signal Disp_Temp : integer range 0 to 15;
signal Disp_Decode : std_logic_vector(7 downto 0);
signal SEC1,SEC10 : integer range 0 to 9;
signal MIN1,MIN10 : integer range 0 to 9;
signal HOUR1,HOUR10 : integer range 0 to 9;

signal Clk_Count1 : std_logic_vector(13 downto 0);
signal Clk1Hz : std_logic;
signal Music_Count : std_logic_vector(2 downto 0);
signal count : std_logic_vector(1 downto 0);
signal lamp :std_logic_vector(2 downto 0);
begin
process(Clk) --产生1Hz 时钟的分频计数器
begin
if(Clk'event and Clk='1') then
if(Clk_Count1<10000) then
Clk_Count1<=Clk_Count1+1;
else
Clk_Count1<="00000000000001";
end if;
end if;
end process;
Clk1Hz<=Clk_Count1(13);
process(Clk1Hz,Rst)
begin
if(Rst='0') then --系统复位
SEC1<=0;
SEC10<=0;
MIN1<=0;
MIN10<=0;
HOUR1<=0;
HOUR10<=0;
elsif(Clk1Hz'event and Clk1Hz='1') then
if(S1='0') then --调节小时
if(HOUR1=9) then
HOUR1<=0;
HOUR10<=HOUR10+1;
elsif(HOUR10=2 and HOUR1=3) then
HOUR1<=0;
HOUR10<=0;
else
HOUR1<=HOUR1+1;
end if;
elsif(S2='0') then --调节分钟
if(MIN1=9) then
MIN1<=0;
if(MIN10=5) then
MIN10<=0;
else
MIN10<=MIN10+1;
end if;
else
MIN1<=MIN1+1;
end if;
elsif(SEC1=9) then
SEC1<=0;
if(SEC10=5) then
SEC10<=0;
if(MIN1=9) then
MIN1<=0;
if(MIN10=5) then
MIN10<=0;
if(HOUR1=9) then
HOUR1<=0;
HOUR10<=HOUR10+1;
elsif(HOUR10=2 and HOUR1=3) then
HOUR1<=0;
HOUR10<=0;
else
HOUR1<=HOUR1+1;
end if;
else
MIN10<=MIN10+1;
end if;
else
MIN1<=MIN1+1;
end if;
else
SEC10<=SEC10+1;
end if;
else
SEC1<=SEC1+1;
end if;
end if;
end process;

process(Clk) --整点报时
begin
if(Clk'event and Clk='1') then
Music_Count<=Music_Count+1;
if(MIN10=5 and MIN1=9 and SEC10=5) then
if((SEC1 MOD 2)=0) then
SPK<=Music_Count(2);
else
SPK<='0';
end if;
elsif(MIN10=0 and MIN1=0 and SEC10=0 and SEC1=0) then
SPK<=Music_Count(1);
else
SPK<='0';
end if;
end if;
end process;

process(clk1Hz) --LED灯
begin
lam<=lamp;
if (rising_edge(clk1Hz)) then
count <= count + 1;
if (count <= "10") then
if (count ="00") then
lamp <= "001" ;
elsif (count = "01") then
lamp<= "010" ;
elsif(count="10") then
lamp <= "100" ;
end if;
else
count <= "00";
end if;
end if;
end process ;

process(SEG_SEL) --显示排序
begin
case (SEG_SEL+1) is
when "111"=>Disp_Temp<=HOUR10;
when "110"=>Disp_Temp<=HOUR1;
when "101"=>Disp_Temp<=10;
when "100"=>Disp_Temp<=MIN10;
when "011"=>Disp_Temp<=MIN1;
when "010"=>Disp_Temp<=10;
when "001"=>Disp_Temp<=SEC10;
when "000"=>Disp_Temp<=SEC1;
end case;
end process;

process(Clk) --扫描累加
begin
if(Clk'event and Clk='1') then
SEG_SEL<=SEG_SEL+1;
Display<=Disp_Decode;
end if;
end process;

process(Disp_Temp) --显示转换
begin
case Disp_Temp is
when 0=>Disp_Decode<="00111111";
when 1=>Disp_Decode<="00000110";
when 2=>Disp_Decode<="01011011";
when 3=>Disp_Decode<="01001111";
when 4=>Disp_Decode<="01100110";
when 5=>Disp_Decode<="01101101";
when 6=>Disp_Decode<="01111101";
when 7=>Disp_Decode<="00000111";
when 8=>Disp_Decode<="01111111";
when 9=>Disp_Decode<="01101111";
when 10=>Disp_Decode<="01000000";
when others=>Disp_Decode<="00000000";
end case;
end process;
end behave;
2.实验流程图：

时钟输入信号
秒模块
时模块
分模块
分频模块
8段数码管显示
时间设置模块
进
位
进
位
报时模块
显示模块
置数/位选

七．系统的仿真调试;

1.秒计数模块仿真：

2.分计数模块仿真 ：

3.时计数模块仿真:

4.系统硬件测试：
本次选用cyclone系列EP1C3T144C8芯片。外部需接2个不同频率的时钟信及几上升沿按键，并接扬声器和不许译码器的数码管。以上均由EDA试验箱提供。
整个系统的构成的入端口有：
clk1——用于送数及六选一选择器和整点报警的时序脉冲；
Stop——用于整点报时的停止控制；
clk——作为秒脉冲和整点报警的信声音号；
reset——用于各个模块复位；
setmin——调整分钟，接按键；
sethour——调整小时，接按键；
输出端口：
speak——接扬声器，用于报时；
led——接数码管，送字型码；
dp——接数码管的小数点为，隔开时分秒位；
sel——位选扫描信号输出口，接数码管位选接口
下载测试后的效果如下图所示，按复位键后数码管显示0时0分0秒开始计数，分秒时计数都正确。按动调分键或调小时键后，分位或小时位开始自加，再按键后停止。当时间到整点时会有十秒报时，按动停止键停止报时，不按此键时自动到十秒后停止报时。设计结果达到要求。

八．EDA设计心得：
从这次EDA设计中，可以看我们的动手能力还有待提高。另一方面，我们更加对EDA从实践上更有深刻认识。从实践中发现问题，分析问题，解决问题在这次设计中很大的体现出来，提高了我们的能力和自信。同时，成功与团队合作十分不开的。
结束语：
通过此次课程设计，让我对EDA这门技术有了更深的体会，并更好的学会了使用QuartusⅡ软件进行硬件设计。
此次课程设计时基于VHDL语言进行的数字钟设计，在课程设计时，我逐渐掌握了VHDL语言的语句及语法等的使用。但在学习过程中，也遇到了很多困难，由于刚刚学习EDA不久，所以很多细节内容都不是很了解，尤其时VHDL语言的运用。我先上网找了一些资料和程序，一点点的看，慢慢摸索着学习写语句。最后在老师和同学的帮助下，终于完成了数字钟的设计。以后我会利用更多时间来学习EDA技术。
EDA技术有着非常好的发展前景，是进几年电子工业的发展趋向，中国的EDA行业发展十分迅速，有着很大的潜力。
参考文献
[1] 李国丽，朱维勇.电子技术实验指导书.合肥：中国科技大学出版社，2000
[2] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程.北京：科学出版社，2002
[3] 郑家龙，王小海，章安元.集成电子技术基础教程.北京：高等教育出版社，2002
[4] 宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD技术及其应用.西安：西安电子科技大学出版社，1999
[5] 卢杰，赖毅.VHDL与数字电路设计.北京：科学出版社，2001
[6] 王金明，杨吉斌.数字系统设计与Verilog HDL.北京：电子工业出版社，2002