基于FPGA的多功能数字时钟设计

摘要I摘要本设计为一个多功能数字时钟，可以进行时、分、秒24小时循环计时与显示，并能通过按键实现时间修改、整点报时、闹铃提醒功能。设计采用EDA技术，以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段进行设计，在ise工具软件环境下，采用自顶向下的设计方法，由各个基本模块共同构建了一个基于FPGA的数字钟。系统主要有由分频模块、计时模块、控制调整模块、扫描显示模块、报时模块等组成。用较少按键实现了各项预期功能，能方便完成各个状态之间的转换。关键词：数字钟，VHDL，FPGA，闹铃ABSTRACTIIAbstractThedesignforamulti-functionaldigitalclock,withhours,minutesandsecondscountdisplaytoa24-hourcyclecount;haveprooffunctionsandthewholepointtimekeepingfunction.TheuseofEDAdesigntechnology,hardware-descriptionlanguageVHDLdescriptionlogicmeansforthesystemdesigndocuments,inisetoolsenvironment,atop-downdesign,bythevariousmodulestogetherbuildaFPGA-baseddigitalclock.Themainsystemismadeupofthefrequencydivisionmodule,controlandadjustmodule,timemodule,scananddisplaydecodingmodule,broadcastmodule.Thisdesigncompletesallthefunctionwithfewkey,andthetransformamongallthestateisveryconvenience.Keywords：digitalclock,VHDL,FPGA,alarm目录III目录第一章引言....................................................11.1选题背景..................................................11.2课题价值与意义............................................11.3课题的国内外研究现状......................................11.4课题的难点、重点..........................................2第二章FPGA简介..............................................32.1FPGA概述................................................32.2FPGA基本结构............................................32.3FPGA系统设计流程........................................52.4FPGA开发编程原理........................................6第三章EDA技术简介...........................................83.1EDA技术概述.............................................83.2可编程逻辑器件...........................................103.3硬件描述语言HDL........................................113.4基于EDA技术的数字系统设计方法..........................133.4.1自低向上的设计方法...................................143.4.2自顶向下的设计方法...................................14第四章数字钟总体设计方案.....................................154.1多功能数字时钟系统分析与设计.............................154.2数字时钟工作原理.........................................154.3FPGA芯片与开发软件选择.................................164.3.1FPGA芯片选择策略...................................164.3.2开发软件选择.........................................174.4开发平台介绍.............................................18目录IV第五章单元电路设计...........................................205.1分频模块设计.............................................205.2计时模块设计.............................................215.3按键消抖模块设计.........................................225.4按键控制系统设计.........................................245.5时间调整模块设计.........................................265.6扫描显示与译码模块设计...................................285.7闹铃与整点报时设计.......................................30第六章软件仿真与开发板实现...................................316.1仿真方法.................................................316.2系统HDL描述波形仿真.....................................326.2.1分频模块波形仿真.....................................326.2.2计时模块波形仿真.....................................326.2.3控制系统波形仿真.....................................336.2.4时间调整模块波形仿真.................................346.2.5闹铃与整点报时模块波形仿真...........................346.2.6系统总电路仿真.......................................356.3开发板实现...............................................356.3.1开发板实现步骤.......................................356.3.2开发板实现结果与过程中的问题.........................36第七章结论与展望.............................................377.1结论与收获...............................................377.2展望.....................................................37参考文献........................................................38致谢............................................................39目录V附录...........................................................40外文资料原文....................................................48外文资料译文....................................................52第一章引言1第一章引言1.1选题背景现代电子产品正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向发展。大规模可编程逻辑器件的使用与现代计算机技术的广泛应用是其与传统电子产品最大的区别。另外，现代电子产品设计依靠各种现代技术提高了产品性能、缩小了产品体积、降低了产品消耗、并缩短了研发周期。在这个背景下，EDA技术吸收了多学科最新成果从而形成一门新技术，并在各个领域有了十分重要的应用[1]。随着数字集成技术与电子设计自动化技术的迅速发展，数字技术已经应用到科研、生产、与人们日常生活的各个领域。数字系统设计的理论与方法也在相应的变化与发展。1.2课题价值与意义现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的现在，随着生活节奏的加快，时间对人们来说越来越宝贵，人们对各种应用器材的要求也越来越高，而数字时钟作为日常生活中特别在准确计数方面的应用很广泛，所以精确且方便使用的数字时钟就被越来越多的人所选择。以往的模拟时钟与机械时钟过于复杂且精度上有很大的瓶颈，数字时钟简单而精确，较好的满足各种需求，能够充分发挥VHDL语言与可编程器件灵活、高效、集成度高的特点，所以已成为各种应用中的首选，多功能数字时钟的设计与实现具有重要的实际意义[2]。1.3课题的国内外研究现状近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。目前虽然各种时钟层出不穷，但这些时钟不是过于复杂就是精度很低，在这方面有很大的发展潜力，数字时钟可以有效弥补这些缺陷，但仍然需要很好的设计思想。一方面对计时用的标准时钟信号有极强的精度要求，即需要一个很精确的晶振来完成；另一方面，在时间设置、闹铃提醒时，能够与预定的载入时间、响铃时刻完全相符则是对数字电路时序上电子科技大学学士学位论文2的一个很大的要求，这就需要对电路结构进行有效的调整，通过提前执行功能等方法将延时弥补[1]。另外，数字钟的应用极为广泛，多功能数字钟的出现也成为必须，除了基本的计数功能，很多数字钟还具有闹铃、整点报时、年月日提醒、跑表等功能。有效的将这些功能协调工作是对系统的一个很重要的要求。更为至关重要的是人机交互接口便于用户操作。1.4课题的难点、重点由于功能较多，人机交互接口的简易化非常重要，各项功能代表不同的状态，在不同状态切换时的操作也务必简单化。另外，在闹铃、时间设置时各模块之间会有不同的响应行为，它们之间的协调工作也至关重要，这些都将成为设计中的难点。课题的重点除了正常计数外便是闹铃或时间调整了，这是设计最基本的要求也是最主要的要求，其他功能基本是围绕这两个功能服务的。第二章FPGA简介3第二章FPGA简介2.1FPGA概述FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray）的简称，与之相应的