数字时钟设计及实现

本科实验报告题目：数字时钟设计及实现课程名称：数字电路课程设计学院（系）：专业：电气工程及其自动化班级：学生姓名：学号：完成日期：成绩：2012年12月22日题目：数字时钟设计及实现一设计要求数字时钟是常见的一种计时装置，数字时钟以1HZ的频率工作。该设计完成数字时钟的运行和显示。其主要功能如下：（1）数字时钟以1HZ的频率工作，其输入频率为1MHZ。（2）数字时钟显示时、分、秒信息。这些显示信息在6个7段数码管上完成。（3）通过按键设置时、分信息，并且具有对数字时钟复位功能。复位键将时、分、秒清0，并做好重新计数的准备。按键具有预置时、分的功能。分别对当前的时和分信息做递增设置和递减设置。二设计分析及系统方案设计图1给出了数字时钟的结构图。从图中可以看到，数字时钟由复位按键（reset）、小时递增按键（hour_inc）、小时递减按键（hour_dec）、分钟递增按键（min_inc）、分钟递减按键（min_dec）、时钟输入、7段LED显示、LED管选择信号线sel、LED码控制信号线（segment）等部分组成。所有的按键都是低电平有效。LED管选择信号线sel通过控制外部的3-8译码器来选择对应的LED管。LED码控制信号线分别和LED的7个数码控制端a-g相连，用来控制LED上显示的字符，通过合理的控制扫描时钟，就可以得到稳定的时、分、秒的显示。图1数字时钟结构图三系统以及模块硬件电路设计1、数字时钟控制信号改数字时钟的控制部分由芯片完成。该芯片的输入和输出接口由下面信号组成。（1）输入信号复位信号（reset）时钟输入信号（clk）小时递增信号（hour_inc）小时递减信号（hour_dec）分钟递增信号（min_inc）分钟递减信号（min_dec）。（2）输出信号LED选择信号（sel）LED码显示控制信号（segment）。2、控制模块结构该设计分为下面4个模块：定时时钟模块、扫描时钟模块、按键处理模块、定时计数模块和显示控制模块。图2给出了这几个模块之间的信号连接关系。（1）按键处理模块由于VHDL语言的规则，将按键的处理和定时模块设计在一起。为了描述清楚，将对按键的处理进行说明。在该设计中，采用异步复位电路方式。当复位信号低有效时，计时器停止计时，时、分、秒清0。图2电子钟控制模块的内部连接图对于小时的递增、递减按键操作，通过一个1HZ的计数时钟采样。图3给出了递增、递减的操作时序。图3预置操作和定时时钟的关系当1HZ的div_clk信号的上升沿到来时，检测hour_inc和hour_dec按键，图中的虚线表示在时钟的上升沿对按键信号进行采样。当hour_inc或hour_dec按键低有效时，对小时进行递加或递减操作。对于分针的递加、递减按键操作，也是通过一个1HZ的计数时钟采样。原理如图4所示。图4定时器时、分、秒之间的连接关系（2）定时时钟模块定时时钟模块作用就是，将外部提供的1MHZ的时钟通过分频器后向模块内的定时计数模块提供1HZ的定时计数时钟。在设计定时时钟模块时，采用同步计数电路。（3）扫描时钟模块扫描时钟模块的作用就是通过对1MHZ的分频处理后，向显示控制模块提供合适的显示扫描时钟，该始终必须经过合理的设计，才能保证7段数码显示的稳定。在设计扫描时钟模块时，采用同步计数电路。（4）定时计数模块定时计数模块是该设计中最重要的一部分，在设计该模块时，为了便于后续显示控制模块的设计，将时、分、秒进行分离，即小时分成了小时的十位和个位分别处理，分钟分成了分钟的十位和个位分别处理。秒分成了秒的十位和个位分别处理。在该设计中，采用24小时计数模式。例如13:28:57。13为小时的表示，1为小时的十位，3为小时的个位；28为分钟的表示，2为分钟的十位，8为分钟的个位；57为秒的表示，5为秒的十位，7为秒的个位。由于对小时、分钟和秒的十位及个位分别处理，在设计该模块就稍微复杂些。下面逐一进行说明。秒的个位计数从0到9，即十进制计数。当秒的个位计数到9后，准备向秒的十位进位。秒的十位计数从0到5，即六进制计数。当秒的十位计数到5后，准备向分的个位进位。分钟的个位计数从0到9，即十进制计数。当分钟的个位计数到9后，准备向分钟的十位进位。分钟的十位计数从0到5，即六进制计数。当分钟的十位计数到5后，准备向小时的个位进位。对于小时的处理比较复杂，小时的十位和个位之间存在下面的关系：当小时的十位为0或1时，小时的个位可以计数范围为0-9，即十进制计数。当小时的十位为2时，小时的个位可以计数范围为0-3，即四进制计数。图4给出了定时器时、分、秒之间的关系。（5）显示控制模块显示控制模块主要作用是在7段数码管上正确地显示0-9的数字。Sel三位LED选择线和3-8译码器相连。表1开发系统工作模式：接口名称类型(输入/输出)结构图上的信号名引脚号说明复位信号inResetPin_g26进行复位，显示屏清0时钟输入信号InclkPin_n2输入时钟小时递增信号InHour_incPin_n23用于小时位调节小时递减信号InHour_decPin_p23用于小时位调节分钟递增符号InMin_incPin_w26用于分钟位调节分钟递减符号InMin_decnone用于分钟位调节LED选择信号Outsel用于选择LED信号LED码显示控制信号Outsegment用于控制LED显示屏四系统的VHDL设计libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_arith.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityclockis--实体定义部分port(clk:instd_logic;rst:instd_logic;inc_min:instd_logic;sub_min:instd_logic;inc_hour:instd_logic;sub_hour:instd_logic;sel:outstd_logic_vector(2downto0);q:outstd_logic_vector(7downto0);endclock;architecturebehavioralofclockis--信号定义部分signalsec_counter1:std_logic_vector(3downto0);signalsec_counter2:std_logic_vector(3downto0);signalmin_counter1:std_logic_vector(3downto0);signalmin_counter2:std_logic_vector(3downto0);signalhour_counter1:std_logic_vector(3downto0);signalhour_counter2:std_logic_vector(3downto0);signaldivcounter:std_logic_vector(19downto0);signaldiv_clk:std_logic;signalscancounter:std_logic_vector(1downto0);signalscan_clk:std_logic;signalscan_out:std_logic_vector(2downto0);signalsecseg1,secseg2,minseg1,minseg2,hourseg1,hourseg2:std_logic_vector(7downto0);beginprocess(rst,clk)--计数时钟代码设计beginif(rst='0')thendivcounter=x00000;div_clk='0';elsif(rising_edge(clk))thenif(divcounter=x7a11f)thendivcounter=x00000;div_clk=notdiv_clk;elsedivcounter=divcounter+1;endif;endif;endprocess;process(rst,clk)--数码管扫描时钟beginif(rst='0')thenscancounter=00;scan_clk='0';elsif(rising_edge(clk))thenif(scancounter=11)thenscancounter=00;scan_clk=notscan_clk;elsescancounter=scancounter+1;endif;endif;endprocess;process(div_clk,rst)--时钟计数部分主进程beginif(rst='0')then--复位部分sec_counter1=x0;sec_counter2=x0;min_counter1=x0;min_counter2=x0;hour_counter1=x0;hour_counter2=x0;elsif(rising_edge(div_clk))then--手动调分，递增if(inc_min='0')thenif(min_counter1=x9)thenmin_counter1=x0;if(min_counter2=x5)thenmin_counter2=x0;elsemin_counter2=min_counter2+1;endif;elsemin_counter1=min_counter1+1;endif;elsif(sub_min='0')then--手动调分，递减if(min_counter1=x0)thenmin_counter1=x9;if(min_counter2=x0)thenmin_counter2=x5;elsemin_counter2=mincounter2-1;endif;elsemin_counter1=min_counter1-1;endif;elsif(inc_hour='0')then--手动调时，增时if(hour_counter2=x2)thenif(hour_counter1=x3)thenhour_counter1=x0;hour_counter2=x0;elsehour_counter1=hour_counter1+1;endif;elseif(hour_counter1=x9)thenhour_counter1=x0;hour_counter2=hour_counter2+1;elsehour_counter1=hour_counter1+1;endif;endif;elsif(sub_hour='0')then--手动调时，减时if(hour_counter1=x0)thenif(hour_counter2=x0)thenhour_counter1=x3;hour_counter2=x2;elsehour_counter2=hour_counter2-1;hour_counter1=x9;endif;elsehour_counter1=hour_counter1-1;endif;else--时分秒正常计时if(sec_counter1=x9)thensec_counter1=x0;if(sec_counter2=x5)thensec_counter2=x0;if(min_counter1=x9)thenmin_counter1=x0;if(min_counter2=x5)thenmin_counter2=x0;if(hour_counter2=x2)thenif(hour_counter1=x3)thenhour_counter1=x0;hour_counter2=x0;elsehour_counter1=hour_counter1+1;endif;elseif(hour_counter1=x9)thenhour_counter1=x0;hour_cou