根據(jù)FPGA的自動打鈴系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、Hunan Institute of Science and Technology自動打鈴系統(tǒng)設(shè)計說明書學生姓名:口號班級:電子09-2BF報告提交日期:2011-11-28湖南理工學院物電學院一、題目及要求簡介1. 設(shè)計題目2.總體要求簡介二、設(shè)計方案說明三、各部分功能介紹及程序1. 系統(tǒng)框圖2.選擇的FPGA芯片及配置3.各模塊（元件）說明四、仿真結(jié)果1. 計時進位2. 手動校時3. 六點整鬧鈴五、說明 1.輸入激勵信號說明2.輸出結(jié)果說明六、源程序1.頂層模塊2.模式控制子模塊3.計時及調(diào)整子模塊4.鬧鈴及調(diào)整子模塊5. 顯示子模塊七、參考文獻 101114、設(shè)

2、計題目及要求簡介1. 設(shè)計題目基于FPGA的自動打鈴系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)2. 總體要求簡介(1) 基本計時和顯示功能 24小時制顯示 動態(tài)掃描顯示 顯示格式：88-88-88(2) 能設(shè)置當前時間(含時、分)(3) 能實現(xiàn)基本打鈴功能，上午06:00起床鈴，打鈴5秒二、設(shè)計方案說明本系統(tǒng)采用自頂向下的模塊化設(shè)計方法，將數(shù)字鬧鐘按照功能實現(xiàn)分為模 式控制模塊、計時及調(diào)整模塊、鬧鈴及調(diào)整模塊、顯示模塊。系統(tǒng)調(diào)整部分軟件 控制流程示意圖如圖2-1所示。開始mode校時功能鬧鈴功能1調(diào)整小時1調(diào)整f?小時LD hour 亮切？turn 1切換調(diào)整分鐘1調(diào)整分鐘LD min 亮change/返回計時返回計時

3、LD_alert 亮/2-1三、各部分功能介紹及程序1. 系統(tǒng)框圖頂層電路主要由FPGA實現(xiàn)，輸出信號接到八位數(shù)碼管、LED指示燈及揚聲器上，系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。1clk : Altera sL.Alertclk_1k頂LD_alertLD_hourmode層LD minturn模selchange塊decodeout八位數(shù)碼管顯示模塊圖3-12. 選擇的FPGA芯片及配置本系統(tǒng)選擇ACEX1I系列的EP1K10TC100-芯片，由于FPGA器件是基于SRAM吉構(gòu)的，具有易失性，在此采用被動串行配置（PS）方式，由外部的計算 機控制配置過程，使用USB-Blaster下載電纜下載程序。3.

4、 各模塊（元件）說明3.1頂層文件端口說明module alarmclock(clk,clk_1k,mode,cha nge,tur n, sel,decodeout,alert.LD_alert,LD_hour,LD_mi n);input clk,clk_1k,mode,cha nge,tu rn;out put alert,LD_alert,LD_hour,LD_mi n;out put2:0sei;out pu t7:0 decodeout;reg7:0 hour,m in, sec,hour1, min 1,sec1,ahour,am in;reg1:0 m,fm, nu m1, n

5、u m2, num3,nu m4;reg1:0 l oop 1,lo op 2,lo op 3,lo op4 ,so und;reg LD_alert,LD_hour,LD_mi n;reg clk_1HZ,clk_2H Z,min clk,hclk;reg alert1,ear;reg coun t1,co un t2,co un ta,co untb;wire ct1,ct2,cta,ctb,m_clk,h_clk;reg 2:0 sel;reg 7:0 decodeout;3.2頂層文件引腳映射說明輸入引腳5個，輸出引腳15個，映射關(guān)系如圖3-2所示。Named: RNode Namer

6、ecton|1Locator|1a LD alertOtitpu：PIIN 202aLD hourOutputPIN 2IALDjninOutputPHM Z214a眺rt(Xitputpin 235» changeInputPIM工6A dKInput|PIIN 277dk IkInput卩酮 233a decodeoutfOOutputPirC299EF decodeoutflOutputPIM-301Q廿 dccodeout20OutputP112decodeout3jOutputRDM 3312e decodeoutOutputP1SOutputPIN斗14e decodeo

7、ut6OutputPIIN 4515 1CF decodeoutnOutputpirj i616M modeInputPIN 4717a sel 01OutputPDMJI3毎e selElOutputPirc%19e更1國OutputPirj 5020AturnInputPirj 55圖3-23.23各子模塊說明 模式控制子模塊此模塊通過mode信號0、1、2三種狀態(tài)的控制，使系統(tǒng)分別在計時、鬧鈴、校時三種模式下工作。 計時及調(diào)整子模塊當mode信號為0時，在基準時鐘信號elk下，系統(tǒng)按60進制加1計時；當mode信號為2時，若檢測到turn信號的脈沖時，在校對小時和分鐘之間作切換，當前的調(diào)

8、整狀態(tài)可通過LD_hour或LD_min指示燈查看, change信號每來一個脈沖，計數(shù)器加1,這樣可以將系統(tǒng)當前的時間調(diào)到任意時刻。 鬧鈴及調(diào)整子模塊此模塊下，mode信號為2，當檢測到turn信號的脈沖時，鬧鈴定時在小時和分鐘之間作切換，當前的調(diào)整狀態(tài)可通過LD_hour或LD_min指示燈查看，ehange信號每來一個脈沖，計數(shù)器加1，這樣可以給系統(tǒng)設(shè)置任意時刻的鬧鈴，設(shè)置完成之后 LD_alert指示燈會常亮（注：此模塊程 序中已經(jīng)加入了六點整鬧鈴控制語句）。 顯示子模塊此模塊用于將實時時間（包括調(diào)整過程中時鐘的狀態(tài)）輸出到八位數(shù)碼管中，通過sel信號位選的控制動態(tài)掃描顯示當前時鐘。四

9、、仿真結(jié)果1. 計時進位（以23:59:59為例）當秒計時滿59時，向分鐘進位并重新開始計時；當分鐘計時滿59時，向小時進位并重新開始計時；當小時計時滿 23時，清零并重新開始計時，23:59:592. 手動校時（以06:05為例）給mode輸入2個連續(xù)的高脈沖使系統(tǒng)進入校時模式，再給change輸入6個連續(xù)高脈沖使小時調(diào)到六點，此過程中LD_hour指示燈亮，再給turn 一個高 脈沖切換到調(diào)分鐘狀態(tài)，再給 change輸入5個連續(xù)高脈沖使小時調(diào)到五分鐘，此過程中LD_min指示燈亮，再給mode個高脈沖回到計時模式，此后系統(tǒng)從06:05分開始計時，仿真波形如圖4-2所示。elk clk_l

10、k mode tiirnH hourQ limS secLD.hgLD min_rL_rLd_rL_rLd_rL_rLd_rL_rLC_rT_rL_rL_ 而了 oe 冥加可X巧®廠copgoTVoFVTTydZXZ105)01圖4-23. 六點整鬧鈴鬧鈴指示燈LD_alert常亮表明已經(jīng)設(shè)置鬧鈴，06:00開始鬧鈴5秒，仿真波形如圖4-3所示。mTi_R_RrL_RrLJ"LRTirLrL_rLR_rL_rLR_rLiMinimninHnmnimmnuininmiHiuiininMiunniinimI_i_:I;一i_I:elk clk_lk ntdt turn chan

11、ge hour minEtc alsrtLD alertroQc10(00. y-JULILJUIUlUIUlLJLJnJIUlUUlLJILJIUlUILJnJn!f061! ! ' 00 山！ iQg 、乂陽 J ： X04ry05圖4-3五、說明1.輸入激勵信號說明elk :標準時鐘信號;clk_1k :數(shù)碼管掃描時鐘；mode功能模式控制信號，為0:計時功能;為1：鬧鈴功能;為2:校時功能;cha nge:接按鍵，手動調(diào)整時，每按一次，計數(shù)器加1；2.輸出結(jié)果說明alert ：輸出到揚聲器的信號，用于產(chǎn)生鬧鈴聲；sel ：數(shù)碼管位選信號，選擇當前要顯示的位置；decodeout

12、 ：數(shù)碼管段選信號，顯示當前數(shù)字；LD_alert :接LED,燈亮表示設(shè)置了鬧鈴;LD_hour：接LED燈亮表示正在調(diào)整小時;LD_min：接LED,燈亮表示正在調(diào)整分鐘。六、源程序1、頂層電路模塊 module alarmclock(clk,clk_1k,mode,cha nge,tum,sel,decodeout,alert,LD_alert,LD_hour,LD_min);input clk,clk_1k,mode,change,turn;output alert,LD_alert,LD_hour,LD_min;output2:0 sel;output7:0 decodeout;re

13、g7:0 hour,min,sec,hour1,min1,sec1,ahour,amin;reg1:0 m,fm,num1,num2,num3,num4;reg1:0 loop1,loop2,loop3,loop4,sound;reg LD_alert,LD_hour,LD_min;reg clk_1HZ,clk_2HZ,minclk,hclk;reg alert1,ear;reg count1,count2,counta,countb;wire ct1,ct2,cta,ctb,m_clk,h_clk;reg 2:0 sel;reg 7:0 decodeout;/調(diào)用子模塊 modecontr

14、ol modecontrol(mode,change,turn,m,count1,count2,counta,countb);timer timer(m,clk,count1,counta,turn,hour1,min1,sec1);bell bell(clk,ear,ct2,ctb,alert1,hour1,min1,sec1,ahour,amin);display display(m,hour1,min1,sec1,ahour,amin,sel,decodeout);endmodule2.模式控制子模塊 module modecontrol(mode,change,turn,m,count

15、1,count2,counta,countb);input mode,change,turn;output m,count1,count2,counta,countb;reg count1,count2,counta,countb;reg LD_hour,LD_min;reg fm,m;always (posedge mode)/控制系統(tǒng)在三種功能間轉(zhuǎn)換begin if(m = 2) m <= 0;else m <= m+1; end always (posedge turn)fm<= fm;always/產(chǎn)生 count1,count2,counta,countb四個信號b

16、egin/校時模式case(m) 2:begin if(fm)begin count1 <= change; LD_min,LD_hour <= 2; endelsebegin counta <= change; LD_min,LD_hour <= 1; endcounta,countb <= 0;/鬧鈴模式end1:begin if(fm)begin count2 <= change; LD_min,LD_hour <= 2; end else begin countb <= change; LD_min,LD_hour <= 1; en

17、d count1,countb <= 2'b00;enddefault:count1,count2,counta,countb,LD_min,LD_hour <= 0;/計時模式endcaseend endmodule3. 計時及調(diào)整子模塊 module timer(m,clk,count1,counta,turn,hour1,min1,sec1);input m,clk,count1,counta,turn;output7:0 hour1,min1,sec1;reg1:0 num3,num4,loop3,loop4;reg ct1,cta;reg clk_1HZ,clk_

18、2HZ,minclk,hclk,m_clk,h_clk;always (posedge clk)clk_2HZ<=clk_2HZ;always (posedge clk_2HZ)clk_1HZ<=clk_1HZ;if(count1) beginalways (negedge clk)if(loop3 = 3) num3 <= 1;else begin loop3 <= loop3+1;num3 <= 0; end endelse begin loop3 <= 0; num3 <= 0; end always (negedge clk)if(counta

19、) beginif(loop4 = 3) num4 <= 1;else begin loop4 <= loop4 + 1; num4 <= 0; end endelse begin loop4 <= 0;num4 <= 0; end assign ct1=(num3&clk)|(!num3&m_clk);/ct1 用于及計時、較時中的分鐘計數(shù)assign cta=(num4&clk)|(!num3&h_clk);/秒計時和秒調(diào)整進程/cta 用于及計時、較時中的小時計數(shù)always (posedge clk_1HZ)if(!(sec

20、1A8'h59)|tum&(!m)begin sec1 <= 0; if(!(turn&(!m) minclk <= 1; end/按住"turn"秒信號清0else beginif(sec13:0 = 4'b1001)begin sec13:0 <= 4'b0000; sec17:4 <= sec17:4 + 1;endelse sec13:0 <= sec13:0 + 1; minclk <= 0;endassign m_clk = minclk | count1;beginalways (po

21、sedge ct1)/分計時和分調(diào)整進程if(min1 = 8'h59) begin min1 <= 0;hclk <= 1; endelse begin if(min13:0 = 9)begin min13:0 <= 0; min17:4 <= min17:4 + 1; end else min13:0 <= min13:0 + 1; hclk <= 0;endendassign h_clk = hclk | counta;always (posedge cta)/小時計時和小時調(diào)整進程if(hour1 = 8'h23) hour1 <

22、;= 0;else if(hour13:0 = 9)begin hour17:4 <= hour17:4 + 1; hour13:0 <= 0; end else hour13:0 <= hour13:0 + 1;endmodule4. 鬧鈴及調(diào)整子模塊 module bell(clk,ear,ct2,ctb,alert1,hour1,min1,sec1,ahour,amin);input clk,ct2,ctb,count2,countb;output alert,ahour,amin;reg1:0 num1,num2,loop1,loop2;reg7:0 ahour,am

23、in;reg ct2,ctb;reg alert,alert1,ear,sound;always (posedge clk)beginif(sound = 3) begin sound <= 0;ear<=1; end/ear用于產(chǎn)生或屏蔽聲音信號else begin sound <= sound + 1;ear <= 0; endend always (negedge clk)如果長按"change"信號,則生成num1信號用于連續(xù)快速加1if(count2) beginif(loop1 = 3) num1 <= 0;else begin l

24、oop1 <= loop1 + 1;num1 <= 0; endelseendbegin loop1 <= 0; num1 <= 0; endalways (negedge clk)if(countb) beginif(loop2 = 3) num2 <= 1;else begin loop2 <= loop2+1;num2 <= 0;end endelse begin loop2 <= 0; num2 <= 0; end assign ct2 = (num1&clk)|(!num1&count2);/ct2 用于定時狀態(tài)下

25、調(diào)整分鐘信號assign ctb = (num2&clk)|(!num2&countb);/ctb 用于定時狀態(tài)下調(diào)整小時信號always (posedge ct2)/鬧鐘定時功能中的分鐘調(diào)整進程always (posedge ctb)/鬧鐘定時功能中的小時調(diào)整進程if(amin = 8'h59) amin <= 0;else if(amin3:0 = 9)begin amin7:4 <= amin7:4 + 1; amin3:0 <= 0; end else amin3:0 <= amin3:0 + 1;if(ahour = 8'h23

26、) ahour <= 0;else if(ahour3:0 = 9)begin ahour7:4 <= ahour7:4 + 1; ahour3:0 <= 0; end else ahour3:0 <= ahour3:0 + 1;alwaysbeginahour=8'h06;amin=8'h00;asec=8'h00;endalways/ 六點鐘鬧鈴，持續(xù) 5 秒beginif(hour1=ahour)&&(min1=8'h00)&&(sec1<8'h05)alert1<=1;else

27、alert1<=0;/產(chǎn)生鬧鈴音end assign alert=(alert1)?clk_1k&clk:0);Endmodule5. 顯示子模塊 module display(m,hour1,min1,sec1,ahour,amin,sel,decodeout);input7:0 hour1,min1,sec1,ahour,amin;input clk_1k;output2:0 sel;output decodeout;reg7:0 hour,min,sec,hour1,min1,sec1,ahour,amin;reg23:0 din;reg2:0 sel;reg3:0 dec

28、;reg7:0 decodeout;alwayscase(m)3'b00: begin hour <= hour1; min <= min1; sec <= sec1; end/計時狀態(tài)下的時、分、秒顯示3'b01: begin hour <= ahour; min <= amin; sec <= 8'hzz; end/定時狀態(tài)下的時、分、秒顯示3'b10: begin hour <= hour1; min <= min1; sec <= 8'hzz; endendcaseassign LD_alert = (ahour|amin)?1:0;always (posedge clk_1k)sel<=sel+1;assign din=hour,min,sec;always (sel,din)begincase(sel)end/校時