1、EDA课程设计数字时钟前 言随着基于PLD的EDA技术的发展和应用领域的扩大和深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用领域的重要性日益提高。作为现在的大学生应熟练掌握这门技术，为以后的发展打下良好的基础，本实验设计是应用QuartusII环境及VHDL语言设计一个时间可调的数字时钟。使自己熟练使用QuartusII环境来进行设计，掌握VHDL语言的设计方法。要注重理论与实践之间的不同，培养自己的实践能力！目 录一、课程设计任务及要求 31.1实验目的 31.2功能设计 4二、整体设计思想 42.1性能指标及功能设计 42.2总体方框图 5三、详细设计 53.1数字钟的基本工作原理
2、： 53.1.1时基T 产生电路 53.1.2调时、调分信号的产生 53.1.3计数显示电路 63.2设计思路 63.3设计步骤 73.3.1工程建立及存盘 73.3.2工程项目的编译 73.3.3目标芯片的选择 83.3.4时序仿真 93.3.5引脚锁定 113.3.6硬件测试 123.3.7实验结果 13四、设计总结 13五、附录 145.1 VHDL源程序 145.2配置符号图 18一、课程设计任务及要求1.1实验目的1）掌握VHDL语言的基本运用2）掌握QuartusII的简单操作并会使用EDA实验箱3）掌握一个基本EDA课程设计的操作1.2功能设计1）有时、分、秒计数显示功能,小时为
3、24进制,分钟和秒为60进制以24小时循环计时2）设置复位、清零等功能3）有校时功能,可以分别对时及分进行单独校时,使其校正到标准时间4）时钟计数显示时有LED灯显示；二、整体设计思想2.1性能指标及功能设计 1）时、分、秒计时器 时计时器为一个24进制计数器，分、秒计时器均为60进制计数器。当秒计时器接受到一个秒脉冲时，秒计数器开始从1计数到60，此时秒显示器将显示00、01、02、.、59、00；每当秒计数器数到00时，就会产生一个脉冲输出送至分计时器，此时分计数器数值在原有基础上加1，其显示器将显示00、01、02、.、59、00；每当分计数器数到00时，就会产生一个脉冲输出送至时计时器
4、，此时时计数器数值在原有基础上加1，其显示器将显示00、01、02、.、23、00。即当数字钟运行到23点59分59秒时，当秒计时器在接受一个秒脉冲，数字钟将自动显示00点00分00秒。2）校时电路 当开关拨至校时档时，电子钟秒计时工作，通过时、分校时开关分别对时、分进行校对，开关每按1次，与开关对应的时或分计数器加1，当调至需要的时与分时，拨动reset开关，电子钟从设置的时间开始往后计时。2.2总体方框图三、详细设计3.1数字钟的基本工作原理：3.1.1时基T 产生电路数字钟以其显示时间的直观性、走时准确性作为一种计时工具，数字钟的基本组成部分离不开计数器，在控制逻辑电路的控制下完成预定的
5、各项功能。由晶振产生的频率非常稳定的脉冲，经整形、稳定电路后，产生一个频率为1Hz的、非常稳定的计数时钟脉冲。3.1.2调时、调分信号的产生由计数器的计数过程可知，正常计数时，当秒计数器（60进制）计数到59 时，再来一个脉冲，则秒计数器清零，重新开始新一轮的计数，而进位则作为分计数器的计数脉冲，使分计数器计数加1。现在我们把电路稍做变动：把秒计数器的进位脉冲和一个频率为2Hz的脉冲信号同时接到一个2选1数据选择器的两个数据输入端，而位选信号则接一个脉冲按键开关，当按键开关不按下去时（即为0），则数据选择器将秒计数器的进位脉冲送到分计数器，此时，数字钟正常工作；当按键开关按下去时（即为1），则
6、数据选择器将另外一个2Hz 的信号作为分计数器的计数脉冲，使其计数频率加快，当达到正确时间时，松开按键开关，从而达到调时的目的。调节小时的时间也一样的实现。3.1.3计数显示电路由计数部分、数据选择器、译码器组成，是时钟的关键部分。1、计数部分：由两个60进制计数器和一个24 进制计数器组成，其中60 进制计数器可用6 进制计数器和10 进制计数器构成；24 进制的小时计数同样可用6 进制计数器和10 进制计数器得到：当计数器计数到24 时，“2”和“4”同时进行清零，则可实现24 进制计数。2、数据选择器：84 输入14 输出的多路数据选择器，因为本实验用到了8个数码管（有两个用来产生隔离符
7、号）。3、译码器：七段译码器。译码器必须能译出，由实验二中译码器真值表可得：字母F 的8421BCD 码为“1111”，译码后为“1000111”，现在如果只译出，即字母F的中间一横，则译码后应为“0000001”，这样，在数码管上显示的就为。3.2设计思路根据系统设计要求,系统设计采用自顶向下设计方法,由时钟分频部分、计时部分、按键部分调时部分和显示部分五个部分组成。这些模块都放在一个顶层文件中。1）时钟计数：首先下载程序进行复位清零操作,电子钟从00：00：00计时开始。sethour可以调整时钟的小时部分, setmin可以调整分钟,步进为1。由于电子钟的最小计时单位是1s,因此提供给系
8、统的内部的时钟频率应该大于1Hz,这里取100Hz。CLK端连接外部10Hz的时钟输入信号clk。对clk进行计数,当clk=10时,秒加1,当秒加到60时,分加1；当分加到60时,时加1；当时加到24时,全部清0,从新计时。用6位数码管分别显示“时”、“分”、“秒”,通过OUTPUT( 6 DOWNTO 0 )上的信号来点亮指定的LED七段显示数码管。2）时间设置：手动调节分钟、小时，可以对所设计的时钟任意调时间，这样使数字钟真正具有使用功能。我们可以通过实验板上的键7和键4进行任意的调整，因为我们用的时钟信号均是1HZ的，所以每LED灯变化一次就来一个脉冲，即计数一次。3）清零功能：res
9、et为复位键，低电平时实现清零功能，高电平时正常计数。可以根据我们自己任意时间的复位。3.3设计步骤3.3.1工程建立及存盘1打开 Quartus，单击“File”菜单，选择 FileNew Project Wizard，对话框如下：分别输入项目的工作路径、项目名和实体名，单击Finish。2.单击“File”菜单，选择New，弹出小对话框，双击“VHDL File，即选中了文本编辑方式。在出现的“Vhdl1.vhd”文本编辑窗中键入VHDL程序，输入完毕后，选择FileSave As，即出现“Save As”对话框。选择自己建立好的存放本文件的目录，然后在文件名框中键入文件名，按“Save”
10、按钮。3. 建立工程项目，在保存VHDL文件时会弹出是否建立项目的小窗口，点击“Yes”确定。即出现建立工程项目的导航窗口，点击“Next”，最后在出现的屏幕中分别键入新项目的工作路径、项目名和实体名。注意，原理图输入设计方法中，存盘的原理图文件名可以是任意的，但VHDL程序文本存盘的文件名必须与文件的实体名一致，输入后，单击“Finish”按钮。3.3.2工程项目的编译单击工具条上的编译符号开始编译，并随着进度不断变化屏幕，编译完成后的屏幕如图所示：3.3.3目标芯片的选择选择菜单 Assignments 选项的下拉菜单中选择器件 Device ，如图所示：在弹出的对话框中的 Family（
11、器件序列栏）对应的序列名，EP1C3 对应的是 Cyclone 系列。在 Available Devices里选择 EP1C3T144-C8 (有时需要把 Show advanced devices的勾消去，以便显示出所有速度级别的器件)。注意：所选器件必须与目标板的器件型号完全一致。在图中，单击“Device and Pin Options”，在弹出的“Device and Pin Options”窗口中，单击“Unused Pins”标签。选择“As output driving an unspecified signal ”（由于学习机的“FPGA”具有很多功能，为了避免使用引脚对其它器
12、件造成影响，保证本系统可靠工作，将未使用引脚设定为输出不定状态）后，单击确定后，无误后单击“OK”。3.3.4时序仿真建立波形文件：选择 FileNew，在New窗中选中“Other File”标签。在出现的屏幕中选择“Vector Waveform File”项出现一新的屏幕。在出现的新屏幕中，双击“Name”下方的空白处，弹出“Insert Nod or Bus”对话框，单击该对话框的“Node Finder”。在屏幕中的 Filter 中选择 Pins，单击“List”。而后，单击“”，所有输入/输出都被拷贝到右边的一侧，这些正是我们希望的各个引脚，也可以只选其中的的一部分，根据实际情况
13、决定。然后单击屏幕右上脚的 “OK”。在出现的小屏幕上单击“OK”。 设定仿真时间宽度。选择 Edit End time选项，在End time选择窗中选择适当的仿真时间域，以便有足够长的观察时间。波形文件存盘。选择FileSave as 选项，直接存盘即可。运行仿真器。在菜单中选择项，直到出现，仿真结束。未曾编辑的仿真波形仿真波形3.3.5引脚锁定将设计编程下载进选定的目标器件中，如EPF10K10，作进一步的硬件测试，将设计的所有输入输出引脚分别与目标器件的EPF10K10的部分引脚相接，操作如下：1选择 Assignments Assignments Editor ,即进入 Assign
14、ments Editor编辑器。在Category 栏选择 Pin，或直接单击右上侧的 Pin 按钮。2双击 TO 栏的new,在出现的的下拉栏中选择对应的端口信号名(如 D0)；然后双击对应的栏的new,在出现的下拉栏中选择对应的端口信号名的期间引脚号。3最后存储这些引脚锁定信息后，必须再编译（启动 ）一次，才能将引脚锁定信息编译进编程下载文件中。此后就可以准备将编译好的 SOF 文件下载到试验系统的FPGA中去了。引脚锁定3.3.6硬件测试1.首先将下载线把计算机的打印机口与目标板（如开发板或实验板）连接好，打开电源，选择模式7。2.打开编辑窗和配置文件。选择，弹出一个编辑窗。在Mode栏
15、中选择JTAG，并在选项下的小方框打勾。注意核对下载文件路径与文件名。如果文件没有出现或者出错，单击左Add file侧按钮，手动选择配置文件 clocksof。 3.最后单击下载标符Start，即进入对目标器件 FPGA 的配置下载操作。当 Progress 显示100%，以及在底部的处理栏中出现 Configuration Succeeded 时，表示编程成功，如图所示。注意，如果必要时，可再次单击 Start ，直至编程成功。4下载完成后，通过硬件测试进一步确定设计是否达到所有的技术指标，如未达到，可逐步检查，哪部分出现问题。如果是代码出现问题，须修改代码；若是时序波形图有问题，须重新设
16、置。3.3.7实验结果实验箱使用模式7，键8为复位按键，键8为1时正常工作。键4设置小时，键7设置分钟。下载成功后，按下键8，及使六个LED复位清零，显示数秒的自动计时，可以通过4键设置小时数，7键设置分钟数。当秒数满60则进一位，分钟数满60进一位，当显示为23:59:59时，秒数在加一则显示00:00:00，之后从新计时。四、设计总结通过这次课程设计，我进一步加深了对电子设计的了解。并进一步熟练了对QuartusII软件的操作。在编写程序的过程中，遇到了很多问题，使我发现自己以前学习上存在的不足。通过与同学探讨和请教老师，终于把问题都解决了，并加深了对数字时钟原理和设计思路的了解。同时也掌
17、握了做课程设计的一般流程，为以后的设计积累了一定的经验。做课程设计时，先查阅相关知识，把原理吃透，确定一个大的设计方向，在按照这个方向分模块的把要实现的功能用流程图的形式展示。最后参照每个模块把输入和输出引脚设定，运用我们所学的VHDL语言进行编程。总之，通过这次的设计，进一步了解了EDA技术，收获很大，对软件编程、排错调试、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。在此，也感谢査老师的悉心指导，使自己学到了很多东西！五、附录5.1 VHDL源程序Alert模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UN
18、SIGNED.ALL;ENTITY alert IS PORT(clk:IN STD_LOGIC; dain:IN STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); speak:OUT STD_LOGIC; lamp:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);END alert;ARCHITECTURE fun OF alert IS SIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); SIGNAL count1:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGIN speaker:PROCESS(clk)
19、BEGIN -speak=count1(1); IF(clkevent and clk=1)THEN IF(dain=0000000)THEN speak=10)THEN count1=00;-count1为三进制加法计数器 ELSE count1=count1+1; -speak=count1(0); END IF ; END IF ; END IF ; END PROCESS speaker; lamper:PROCESS(clk) BEGIN IF(rising_edge(clk)THEN IF(count=10)THEN IF(count=00)THEN lamp=001;-循环点亮三
20、只灯 ELSIF(count=01)THEN lamp=010; ELSIF(count=10)THEN lamp=100; END IF; count=count+1; ELSE count=00; END IF; END IF; END PROCESS lamper;END fun;Hour模块LIBRARY IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY hour IS PORT(clk,reset:IN STD_LOGIC; daout:out STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWN
21、TO 0);END ENTITY hour;ARCHITECTURE fun OF hour ISSIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); BEGIN daout=count; PROCESS(clk,reset) BEGIN IF(reset=0)THEN count=000000; -若reset=0，则异步清零 ELSIF(clkevent and clk=1)THEN -否则，若clk上升沿到 IF(count(3 DOWNTO 0)=1001)THEN -若个位计时恰好到1001即9 IF(count16#23#)THEN -23进制 co
22、unt=count+7; -若到23D则 else count=000000; -复0 END IF; ELSIF (count16#23#)THEN -若未到23D，则count进1 count=count+1; ELSE -否则清零 count=000000; END IF; -END IF（count（3 DOWNTO 0）=1001） END IF; -END IF（reset=0） END PROCESS;END fun;Minute模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;E
23、NTITY minute IS PORT(clk,clk1,reset,sethour:IN STD_LOGIC; enhour:OUT STD_LOGIC; daout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END ENTITY minute ;ARCHITECTURE fun OF minute IS SIGNAL count :STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0); SIGNAL enhour_1, enhour_2: STD_LOGIC; -enmin_1为59分时的进位信号 BEGIN -enmin_2由clk调制后的手动调时脉冲信号
24、串 daout=count; enhour_2= (sethour and clk1); -sethour为手动调时控制信号，高电平有效 enhour= (enhour_1 or enhour_2); PROCESS(clk,reset,sethour) BEGIN IF(reset=0) THEN -若reset为0，则异步清零 count=0000000; ELSIF(clkevent and clk=1)THEN -否则，若clk上升沿到 IF(count (3 DOWNTO 0) =1001)THEN-若个位计时恰好到1001即9 IF(count 16#60#) THEN -又若co
25、unt小于16#60#，即60 IF(count=1011001) THEN-又若已到59D enhour_1=1; -则置进位为1 count=0000000; -count复0 ELSE count=count+7; -若count未到59D，则加7，即作加6校正 END IF; -使前面的16#60#的个位转变为8421BCD的容量 ELSE count=0000000;-count复0（有此句，则对无效状态电路可自启动） END IF; -END IF（count16#60#） ELSIF (count 16#60#) THEN count=count+1; -若count16#60#
26、则count加1 enhour_1=0 after 100 ns; -没有发生进位 ELSE count=0000000; -否则，若count不小于16#60# count复0 END IF; -END IF（count（3 DOWNTO 0）=1001） END IF; -END IF（reset=0） END process;END fun;Second模块LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY second ISPORT( clk,reset,setmin:STD_L
27、OGIC; enmin:OUT STD_LOGIC; daout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END ENTITY second;ARCHITECTURE fun OF second ISSIGNAL count:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);SIGNAL enmin_1,enmin_2:STD_LOGIC; -enmin_1为59秒时的进位信号 BEGIN -enmin_2由clk调制后的手动调分脉冲信号串 daout=count; enmin_2=(setmin and clk); -setmin为手动调分控制信号，高电平有
28、效 enmin=(enmin_1 or enmin_2); -enmin为向分进位信号 PROCESS(clk,reset,setmin) BEGIN IF(reset=0)THEN count=0000000; -若reset为0，则异步清零 ELSIF(clk event and clk=1)then -否则，若clk上升沿到 IF(count(3 downto 0)=1001)then -若个位计时恰好到1001即9 IF(count16#60#)then -又若count小于16#60#,即60H IF(count=1011001)then -又若已到59D enmin_1=1;cou
29、nt=0000000;-则置进位为1及count复0 ELSE -未到59D count=count+7; -则加7，而+7=+1+6，即作加6校正 END IF; ELSE -若count不小于16#60#（即count等于或大于16#60#） count=0000000; -count复0 END IF; -END IF（count16#60#） ELSIF(count16#60#)then -若个位计数未到1001则转此句再判 count=count+1; -若count16#60#则count加1 enmin_1=0after 100 ns; -没有发生进位 ELSE -否则，若count不小于16#60# count=0000000; -则count复0 END IF; -END IF（count（3 DOWNTO 0）=1001） END IF; -END IF（reset=0）END PROCESS;END fun;5.2配置符号图
