基于FPGA：电子钟的设计报告

电子钟的设计报告姓名：组别：专业班级：广东科学技术职业学院1目录目录.......................................................................................................................................1一、数字钟的设计要求...........................................................................................................2二、顶层设计...........................................................................................................................2三、模块...................................................................................................................................31.顶层模块........................................................................................................................32.分频器模块....................................................................................................................43.按键消抖模块................................................................................................................44.计时模块........................................................................................................................55.显示模块........................................................................................................................66.报时和闹钟模块............................................................................................................6四、系统调试及运行结果分析.............................................................................................71、硬件调试.....................................................................................................................72、软件调试.....................................................................................................................83、调试过程及结果.........................................................................................................8（1）显示模块调试.................................................................................................8（2）时间系统模块调试.........................................................................................9五、总结...................................................................................................................................9一、数字钟的设计要求设计一个具有时、分、秒计时第二电子钟电路，按24小时制记时。要求：1、准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间；2、具有分、时校正功能，校正输入脉冲频率为1Hz;3、具有仿广播电台整点报时的功能，即每逢59分51秒、53秒、55秒及57秒时，发出4声500Hz低音，在59分59秒时发出一声1kHz高音，它们的持续时间均为1秒。最后一声高音结束的时刻恰好为正点时刻。4、具有定时闹钟功能，且最长闹铃时间为一分钟。要求可以任意设置闹钟的时、分；闹铃信号为500Hz和1kHz的方波信号，两种频率的信号交替输出，且均持续1S。设置一个停止闹铃控制键，可以停止输出闹铃信号。二、顶层设计采用自顶向下的设计方法，首先根据数字时钟的功能要求进行顶层设计和分析，用FPGA实现系统的计时、显示驱动、按键输入处理、仿广播电台整点报时的功能。根据实训平台的硬件资源情况，输入信号包括时钟输入和按键输入，其中系统时钟由实训平台核心板50MHz晶振提供，拨码开关作为校时、闹钟时间设置和复位的信号输入，输出信号包括峰鸣器控制输出、8位动态数码管位选和段选控制输出。数字电字时钟系统主要有分频器模块、按键消抖模块、计时模块、整点报时和闹铃模块和显示驱动模块构成。广东科学技术职业学院3三、模块1.顶层模块如下图所示。广东科学技术职业学院42.分频器模块分频器模块的主要功能是为其他模块提供时钟信号。输入端口：50MHz的时钟信号；输出端口：1Hz、500Hz和1kHz三种频率的时钟信号。如下图所示。3.按键消抖模块作为机械开关的键盘，在按键操作时，机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或开启的瞬间会出现电压抖动，如下图所示。实际应用中如果不进行处理将会造成误触发。按键去抖动关键在于提取稳定的低电平状态，滤除前沿、后沿抖动毛刷。对于一个按键信号，可以用一个脉冲对它进行采样。如果连续三采样为低电平，可广东科学技术职业学院5以认为信号已经处于键稳定状态，这时输出一个低电平按键信号。继续采样的过程中如果不能满足连续三次采样为低，则认为键稳定状态结束，这时输出变为高电平。按键消抖模块功能是消除校时按键的机械抖动。输入端口：消抖时钟，按键K1，K2和K3；输出端口：校时信号set_h，校分信号set_m，显示模式mode。如下图所示。4.计时模块计时模块是数字钟的主体电路，包括正常计时、对时间进行校正、设置闹钟时间和判断闹铃等功能。输出端口：clk_1Hz_in，秒计时脉冲输入；mode，校时和闹钟设置功能切换信号输入；set_h，set_m，校时和闹钟设置信号；nCR，复位信号。输出端口：time_data，时分秒BCD码输出；equ，闹钟标志。计时模块如下图所示。广东科学技术职业学院65.显示模块显示模块参考模块二中的数码管动态扫描项目。显示模块如下图所示。6.报时和闹钟模块报时和闹钟功能有两个:一是实现仿电台正点按照4低音1高音的顺序发出间断声音，以最后一声结束时的时刻；二是当设定的闹铃时间报时和数字钟当前的时间相等时，驱动蜂鸣器电路“闹时”，闹铃时间长为一分钟，为了能随时关掉闹铃声音，设置了一个控制键Ctrl_Bell。报时和闹钟模块如下图所示。广东科学技术职业学院7四、系统调试及运行结果分析1、硬件调试在软件联机调试之前，首先要确定硬件是否完全正确。检查方面主要包括：（1）PC机的接口和核心板上的JTAG下载口是否连接正确；（2）蜂鸣器的电路是否为通路；（3）检查接地、电源线是否连接正确；（4）LED七段数码管显示正常。引脚分布如下表：广东科学技术职业学院82、软件调试在确定好硬件系统正确之后，我对本设计进行分模块的软件调试。在与主程序衔接时，主程序和各子程序也需作相应的改动，以便与子程序更好的衔接，特别是显示子程序需作较大改动，以便对不同内容进行显示。软件编译后的结果：3、调试过程及结果调试过程按照：显示模块→时间模块→键盘模块→时间设定及其显示模块→闹铃、整点报时设定及其显示模块的顺序进行调试。（1）显示模块调试本系统功能完整运行离不开正确显示，所以显示模块的实现非常重要，在联机调试第一步就要确定系统的显示是否能够正常运行。将需要显示的内容编写在程序内，单独得进行仿真。此模块调试结果如图所示：广东科学技术职业学院9（2）时间系统模块调试确定系统显示成功后，进行时间系统的调试。时间系统需要实现时、分、秒的正确走时。显示结果为时、分、秒，其中秒钟可以正常走动。此模块调试结果如图所示：五、总结在FPGA上设计和调试都需要耐心，时钟设计在生活中无处不在，设计的过程要考虑到应用的习惯，设计更人性化的体验，才会是一个好的设计。在VerilogHDL语言的学习上还存在一些问题，没有深入的学习，对于有些语法错误，还需要仔细的查找。如果将这个数字时钟应用于现实生活中，还存在些许的问题。例如操作起来没那么的方便等等。