闹钟系统设计.doc

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

课 程 EDA技术课程设计
题 目 闹钟系统的设计
院 系 电子科学学院
专业班级 电子信息工程
学生姓名 王琢
学生学号 080901140203
指导教师

2011年 3 月11日

东北石油大学课程设计任务书

课程 EDA技术课程设计
题目 闹钟系统的设计
专业 电子信息工程 姓名 王琢 学号 080901140203
主要内容、基本要求、主要参考资料等
主要内容：
设计并制作一个带闹钟功能的24小时计时器。它包括以下几个组成部分：
1、显示屏，由4 个七段数码管组成，用于显示当前时间(时：分)或设置的闹钟时间；
2、数字键，实现‘0’—‘9’的输入，用于输入新的时间或新的闹钟时间；
3、TIME(时间)键，用于确定新的时间设置；
4、ALARM(闹钟)键，用于确定新的闹钟时间设置，或显示已设置的闹钟时间；
5、扬声器，在当前时钟时间与闹钟时间相同时，发出蜂鸣声
基本要求：
1、计时功能：这是本计时器设计的基本功能，每隔一分钟计时一次，并在显示屏上显示当前时间。
2、闹钟功能：如果当前时间与设置的闹钟时间相同，则扬声器发出蜂鸣声。
3、设置新的计时器时间：用户用数字键输入新的时间，然后按"TIME"键确认。在输入过程中，输入数字在显示屏上从右到左依次显示。例如，用户要设置新的时间12：34，则按顺序输入“1”，“2”，“3”，“4”，与之对应，显示屏上依次显示的信息为：“1”，“12”，“123”，“1234"。如果用户在输入任意几个数字后较长时间内，例如5 s，没有按任何键，则计时器恢复到正常的计时显示状态。
主要参考资料：
[1] 潘松著.EDA技术实用教程(第二版). 北京：科学出版社,2005.
[2] 康华光主编.电子技术基础 模拟部分. 北京：高教出版社,2006.
[3] 阎石主编.数字电子技术基础. 北京：高教出版社,2003.
完成期限 2011.3.11
指导教师
专业负责人
2011年 3月7日

一、总体设计思想
1.基本原理
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。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，驱动扬声器，持续1分钟。
2.设计框图
设定按键
时钟1Hz
按键UpDN
时钟10Hz
功能切换寄存器
闹钟设定寄存器
闹铃控制电路
模式切换数据选择
扫描技术字符译码
扫描时钟320Hz
数码显示
蜂鸣器
时钟计数寄存器

二、设计步骤和调试过程
1、总体设计电路
根据设计要求及端口设置,需要五个状态来实现:
S0:表示电路初态即正常时钟计数状态,完成前面设计功能 (1) 的工作。
S1:接收键盘输入状态.在状态S0时用户按下数字键后进入此状态.在此状态下,显示屏上显示的是用户键入的数字。
S2:设置新的闹钟时间.在状态S1时用户按下ALARM键后进入此状态。
S3:设置新的计时器时间.在状态S1时用户按下TIME键后进入此状态。 S4:显示闹钟时间.在状态S0时用户直接按下ALARM键后进入此状态。
在此状态下,显示屏上显示的是所设置的闹钟时间.注意:在此状态下,用户按下ALARM键后,显示屏上保持显示闹钟时间,经过一段时间以后,再返回状态S0。
设计基本思想：
(1) CLK为外部时钟信号,RESET为复位信号.
(2) 当KEY为高电平(KEY= '1')时,表示用户按下数字键("0"～"9").
(3) 当ALARM_BUTTON为高电平时,表示用户按下"ALARM"键.
(4) 当TIME_BUTTON为高电平时,表示用户按下"TIME"键.
(5) 当LOAD_NEW_A为高电平时,控制(闹钟时间寄存器)加载新闹钟时间值.
(6) 当LOAD_NEW_C为高电平时,控制(时钟计数器)设置新的时间值.
(7) 当SHOW_NEW_TIME为高电平时,控制(七段数码显示电路)显示新的时间值,即用户通过数字键输入的时间;否则,当SHOW_NEW_TIME为低电平时,根据
SHOW_A信号的值控制显示当前时间或闹钟时间.
2、模块设计和相应模块程序
（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,md1md2,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_LOGICVECTOR (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;
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 STDLOGIC ;
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;
3、仿真及仿真结果分析
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：

仿真图1
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：

仿真图2
当A=0，B=1,C=1时是对闹钟进行校时，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：

仿真图3
当A=0，B=0,C=1时是对闹钟进行校分，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：

仿真图4
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：

仿真图5
另外当计数的时，分和闹钟所事先设置时、分相等时，歌曲会响起，作为闹钟并且维持一分钟，一分钟歌曲自动停止。RTL图：

4、实验调试结果
为验证所设计程序是否正确，将程序下载进行硬件测试。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）

图6
三、结论及心得体会
经过一周的 EDA 设计， 我发现了很多问题是从课本上学不到的， 所以刚开始拿到设计课题是时候有些不知所措， 不过经过和同组人的 共同探讨和学习，我逐渐把握住了思路，并开始了设计。 总的来讲，本次课程设计对于我来说有很大的意义。通过本次课 程设计，我有一种温故知新感觉。不仅对原有知识进行了巩固，还增 加了不少新的知识，即使在设计中并没有用到所有新的知识，但我学 会了，就是我的财富，今后我一定会好好加以利用。同时，我在以后 的学习生活当中一定会牢牢记住这次课程设计给我的经验和教训， 在 学习工作中更加努力和细心，学有所用才是硬道理

参考资料
[1] 潘松著.EDA技术实用教程(第二版). 北京：科学出版社,2005.
[2] 康华光主编.电子技术基础 模拟部分. 北京：高教出版社,2006.
[3] 阎石主编.数字电子技术基础. 北京：高教出版社,2003.
[4] 焦素敏.《EDA应用技术》 清华大学出版社，2002
[5] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计 北京：电子工业出版社，2002.

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称
EDA技术课程设计
题目名称
闹钟系统设计
学生姓名

学号
07
指导教师姓名

职称

序号
评价项目
指 标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20

2
课程设计质量
课程设