數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)

1、數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)Hefei University項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)1、 項(xiàng)目要求1、數(shù)字鐘顯示秒、分、時(shí)。2、數(shù)字鐘可清零、可進(jìn)行校時(shí)，校分。3、數(shù)字鐘能進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)及鬧鈴。2、 設(shè)計(jì)方案模塊介紹：本數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)是由計(jì)數(shù)模塊、調(diào)鍵模塊、分頻模塊、整點(diǎn)報(bào)時(shí)及音樂(lè)模塊MISIC組成。其中計(jì)數(shù)模塊分別是由miao60、fen60、shi24模塊組成,構(gòu)成一個(gè)計(jì)數(shù)顯示電路。調(diào)鍵模塊是由計(jì)數(shù)模塊和二選一模塊組成，分別控制shi24、fen60模塊。分頻模塊將10MHz的脈沖產(chǎn)生1Hz、4Hz和1MHz的脈沖，1Hz用于計(jì)數(shù)模塊，為計(jì)數(shù)時(shí)鐘的脈沖。4Hz和1MHz用音樂(lè)模塊，為數(shù)控分頻器的時(shí)鐘輸入和4H

2、z音樂(lè)節(jié)拍。整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊是當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)到整點(diǎn)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲響。音樂(lè)模塊對(duì)預(yù)置的時(shí)間可播放長(zhǎng)達(dá)一分鐘梁祝音樂(lè)。設(shè)計(jì)思路：(1)自頂向下設(shè)計(jì)分割圖2.1所示：圖2.1 數(shù)字鐘自頂向下設(shè)計(jì)分割圖(2)數(shù)字鐘頂層模塊圖如圖2.2所示：圖2.2 數(shù)字鐘頂層圖3、 項(xiàng)目?jī)?nèi)容3.1時(shí)鐘計(jì)數(shù)與校時(shí)校分模塊本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘能進(jìn)行正常的時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能和校時(shí)校分功能。計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)為 23:59:59，即一分鐘60秒，一小時(shí)60分鐘，一天24小時(shí)。當(dāng)秒位達(dá)到59，由進(jìn)位端向分位發(fā)出一個(gè)脈沖；當(dāng)分位達(dá)到59，由進(jìn)位端向時(shí)位發(fā)出一個(gè)脈沖。 rst 為清零開(kāi)關(guān)，當(dāng)其為“1”，時(shí)鐘清零為 12:00:00。本項(xiàng)目將時(shí)鐘計(jì)

3、數(shù)與校時(shí)校分這兩個(gè)功能集成在一個(gè)模塊中，并通過(guò)兩個(gè)2選1數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)此功能。當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)s為高電平時(shí)，將選中4Hz輸入信號(hào)作為分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖或時(shí)計(jì)數(shù)器的脈沖，使它們頻率加快，從而實(shí)現(xiàn)校時(shí)校分的功能；當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)s為低電平時(shí)，則數(shù)據(jù)選擇器將秒計(jì)數(shù)的進(jìn)位脈沖送到分計(jì)數(shù)器，也能將分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖送到時(shí)計(jì)數(shù)器，使數(shù)字鐘正常工作。3.1.1時(shí)鐘秒計(jì)數(shù)子模塊給秒計(jì)數(shù)器一個(gè)1Hz的時(shí)鐘脈沖，正常計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)秒計(jì)數(shù)器（60進(jìn)制)計(jì)數(shù)到59時(shí)，再來(lái)一個(gè)脈沖，則秒計(jì)數(shù)器清零，重新開(kāi)始新一輪的計(jì)數(shù),而進(jìn)位則作為分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，使分計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)加1。秒進(jìn)位子模塊封裝圖如下所示：具體程序如下圖所示：仿真圖如下:：當(dāng)

4、rst信號(hào)為高電平時(shí)，秒計(jì)數(shù)器被清零；：當(dāng)秒計(jì)數(shù)到59時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位，即carry=1，之后重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。3.1.2時(shí)鐘分計(jì)數(shù)子模塊正常計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)分計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到59時(shí)，再來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，則分計(jì)數(shù)器清零，而進(jìn)位則作為時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，使時(shí)計(jì)數(shù)器加一?，F(xiàn)在把秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖和一個(gè)頻率為4Hz的脈沖信號(hào)同時(shí)接到一個(gè)2選1數(shù)據(jù)選擇器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，而位選信號(hào)則接一個(gè)脈沖按鍵開(kāi)關(guān)，當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)不按下去時(shí)（即為0），則數(shù)據(jù)選擇器將秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖送到分計(jì)數(shù)器，此時(shí)，數(shù)字鐘正常工作；當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)按下去時(shí)（即為1），則數(shù)據(jù)選擇器將另外一個(gè)4Hz的信號(hào)作為分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，使其計(jì)數(shù)頻率加快，當(dāng)達(dá)到正確的

5、時(shí)間，按動(dòng)按鍵開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到校分的目的。 2選1數(shù)據(jù)選擇器其封裝圖如下所示：具體程序如下所示：仿真圖如下:當(dāng)s=1時(shí)，y輸出為b，即給分計(jì)數(shù)器的脈沖頻率為4Hz，此時(shí)可對(duì)分進(jìn)行校時(shí)功能；當(dāng)s=0時(shí)，y輸出為a，即給分計(jì)數(shù)器的脈沖為秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖，此時(shí)實(shí)現(xiàn)的功能是讓數(shù)字鐘正常工作。分計(jì)數(shù)器其封裝圖如下圖所示:具體程序如下所示：仿真圖如下所示:：當(dāng)rst信號(hào)為高電平時(shí)，分計(jì)數(shù)器被清零；：當(dāng)分計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到59時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位，即carry=1，之后重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。3.1.3時(shí)鐘時(shí)計(jì)數(shù)子模塊時(shí)計(jì)數(shù)子模塊是由一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，正常計(jì)數(shù)時(shí)，當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到23時(shí)，再來(lái)一個(gè)脈沖，則時(shí)計(jì)數(shù)器清零，重新

6、開(kāi)始新一輪的計(jì)數(shù)?，F(xiàn)在把分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖和一個(gè)頻率為4Hz的脈沖信號(hào)同時(shí)接到一個(gè)2選1數(shù)據(jù)選擇器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，而位選信號(hào)則接一個(gè)脈沖按鍵開(kāi)關(guān)，當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)為低電平時(shí)，則數(shù)據(jù)選擇器將分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖送到時(shí)計(jì)數(shù)器，此時(shí)，數(shù)字鐘正常工作；當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)為高電平時(shí)，則數(shù)據(jù)選擇器將另外一個(gè)4Hz的信號(hào)作為時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，使其計(jì)數(shù)頻率加快，當(dāng)達(dá)到正確的時(shí)間，按動(dòng)按鍵開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到校時(shí)的目的。時(shí)計(jì)數(shù)器的封裝圖如下圖所示：具體程序如下所示： 仿真圖如下所示：當(dāng)rst信號(hào)為高電平時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器被清零，回到初始狀態(tài)12；：當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到23時(shí)，時(shí)清零，重新開(kāi)始新一輪的計(jì)數(shù)。3.2定時(shí)及整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊功能描述該

7、模塊分為兩個(gè)功能，即定時(shí)和整點(diǎn)報(bào)時(shí)定時(shí)：代碼中設(shè)計(jì)06:30:00時(shí)，發(fā)光二極管會(huì)亮起，同時(shí)蜂鳴器也會(huì)發(fā)出聲音，提醒所定的時(shí)間到了，即音樂(lè)模塊里設(shè)計(jì)的“梁?！保S持時(shí)間一分鐘整點(diǎn)報(bào)時(shí)：代碼中設(shè)計(jì)每到一個(gè)整點(diǎn)的時(shí)候，發(fā)光二極管會(huì)亮起，且蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音，提醒整點(diǎn)到了實(shí)驗(yàn)代碼封裝圖仿真波形波形分析：如上圖所示1)定時(shí):當(dāng)時(shí)間從06:30:00變到06:30:59，在這一分鐘的時(shí)間內(nèi)，發(fā)光二極管一直在處于高電平狀態(tài)(lamp=“1111”),即燈亮起，且隨著音樂(lè)的節(jié)拍有規(guī)律有節(jié)奏的閃爍；而此時(shí)的蜂鳴器會(huì)發(fā)出設(shè)計(jì)好的“梁?！?speak1=“1111”)，維持一分鐘的時(shí)間，到06:31:00時(shí)，發(fā)光二

8、極管處于低電平狀態(tài)(lamp=“0000”),即燈不亮2)整點(diǎn)報(bào)時(shí):當(dāng)時(shí)間處于整點(diǎn)時(shí)，例上圖處于07:00:00時(shí)刻，此時(shí)，發(fā)光二極管會(huì)亮起（lamp=“1111”),且此時(shí)的蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音(speak2=“1111”)3.3分頻器模塊功能描述把10MHz分為1Hz，4Hz，1MHz三個(gè)頻率，1Hz的作為秒計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)頻率4Hz的作為音樂(lè)模塊中的138計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)頻率，1MHz作為音樂(lè)模塊中的數(shù)控分頻器的SPK。實(shí)驗(yàn)代碼(1)10MHz分為1Hz時(shí)，即10,000,000分頻(2)10MHz分為4Hz時(shí)，即2,500,000分頻將上述代碼中的counter_len設(shè)置為整數(shù)型，并賦值為

9、2499999。其余與上述代碼相同，即可實(shí)現(xiàn)4Hz。(3)10MHz分為1MHz時(shí)，即10分頻將上述代碼中的counter_len設(shè)置為整數(shù)型，并賦值為9。其余與上述代碼相同，即可實(shí)現(xiàn)1MHz。封裝圖 分為1Hz 分為4Hz 分為1MHz仿真波形在此只列出將10MHz分為1MHz的仿真波形，余下兩個(gè)類(lèi)似，不再贅余波形分析：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)clk信號(hào)到第五個(gè)clk信號(hào)期間，qout一直輸出低電平，當(dāng)?shù)诹鶄€(gè)clk信號(hào)來(lái)到時(shí)，qout開(kāi)始輸出高電平，明顯可以看出這是一個(gè)10分頻。則可以類(lèi)推，10MHz分為1Hz為10,000,000分頻，10MHz分為4Hz為2,500,000分頻3.5音樂(lè)模塊MISIC3

10、.5.1音樂(lè)模塊原理：硬件樂(lè)曲演奏電路頂層模塊圖如圖3.5.1所示，電路由5個(gè)子模塊構(gòu)成。本模塊為“梁?！睒?lè)曲演奏電路的實(shí)現(xiàn)。組成樂(lè)曲的每個(gè)音符的發(fā)音頻率值及其持續(xù)的時(shí)間是樂(lè)曲能連續(xù)演奏所需的兩個(gè)基本要素。圖3.5.1 樂(lè)曲演奏電路頂層設(shè)計(jì)3.5.2 SPK模塊SPK模塊原理：音符的頻率可以由圖3.5.2中的SPK獲得。這是一個(gè)數(shù)控分頻器。由其CLK端輸入一具有較高頻率（1MHz）的時(shí)鐘，通過(guò)SPK分頻后，由boom口輸出。由于直接從分頻器中出來(lái)的輸出信號(hào)是脈寬極窄的信號(hào)，為了有利于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，需另加一個(gè)D觸發(fā)器分頻以均衡其占空比，但這時(shí)的頻率將是原來(lái)的1/2。SPK對(duì)CLK輸入信號(hào)的分頻比由

11、輸入的11位預(yù)置數(shù)TN10.0決定。SPK的輸出頻率將決定每一音符的音調(diào)；這樣，分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置值TN10.0 與輸出頻率就有了對(duì)應(yīng)關(guān)系，而輸出的頻率又與音樂(lè)音符的發(fā)聲有對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如在TT模塊中若取TN10.0=11'H40C，將由boom發(fā)出音符為“3”音的信號(hào)頻率。詳細(xì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以參考圖3.5.3的電子琴音階基頻對(duì)照?qǐng)D。圖3.5.2 TT模塊圖圖3.5.3 電子琴音階基頻對(duì)照?qǐng)D（單位Hz）VHDL代碼3.TT模塊TT模塊原理：音符的持續(xù)時(shí)間需根據(jù)樂(lè)曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來(lái)確定，圖3.3中模塊TT的功能首先是為模塊SPK（11位分頻器）提供決定所發(fā)音符的分頻預(yù)置數(shù)，而此數(shù)在S

12、PK輸入口停留的時(shí)間即為此音符的節(jié)拍周期。模塊TT是樂(lè)曲簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路，程序數(shù)據(jù)是根據(jù)圖3.2得到的，程序中設(shè)置了“梁?！睒?lè)曲全部音符所對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，共14個(gè)，每一音符的停留時(shí)間則由音樂(lè)節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生查表模塊ROM中簡(jiǎn)譜碼和工作時(shí)鐘clock的頻率決定，在此為4Hz。這4Hz頻率來(lái)自分頻模塊fenpin4hz.而模塊TT的14個(gè)值的輸出由對(duì)應(yīng)于rom模塊輸出的q3.0及4位輸入值index3.0確定，而index3.0最多有16種可選值。輸向模塊TT中index3.0的值在SPK中對(duì)應(yīng)的輸出頻率值與持續(xù)的時(shí)間由模塊rom決定。模塊圖如圖3.5.4所示：圖3.5.4 TT模塊

13、圖VHDL代碼4.CNT138模塊CNT138模塊原理：模塊CNT138是一個(gè)8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，內(nèi)部設(shè)置計(jì)數(shù)最大值為139，作為音符數(shù)據(jù)ROM的地址發(fā)生器。這個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率即為4Hz。即每一計(jì)數(shù)值的停留時(shí)間為0.25秒，恰為當(dāng)全音符設(shè)為1秒時(shí)，四四拍的4分音符持續(xù)時(shí)間。例如，“梁祝”樂(lè)曲的第一個(gè)音符為“3”，此音在邏輯中停留了4個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，即1秒時(shí)間，相應(yīng)地，所對(duì)應(yīng)的“3”音符分頻預(yù)置值為11'H40C，在SPK的輸入端停留了1秒。隨著計(jì)數(shù)器CNT138按4Hz的時(shí)鐘速率作加法計(jì)數(shù)時(shí)，即隨地址值遞增時(shí)，音符數(shù)據(jù)ROM模塊中的音符數(shù)據(jù)將從 ROM中通過(guò)q3.0端口輸向TT模塊，“梁祝

14、”樂(lè)曲就開(kāi)始連續(xù)自然地演奏起來(lái)了。CNT138的節(jié)拍是139，正好等于ROM中的簡(jiǎn)譜碼數(shù)，所以可以確保循環(huán)演奏。對(duì)于其他樂(lè)曲，此計(jì)數(shù)最大值要根據(jù)情況更改。模塊圖如圖3.5.5所示：圖3.5.5 CNT138模塊圖VHDL代碼5.音符ROM模塊此模塊是用來(lái)存放梁祝的音符數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如下所示，模塊圖見(jiàn)圖3.5.6。圖3.5.6 音符ROM圖音符數(shù)據(jù)：WIDTH = 4 ; /“梁?！睒?lè)曲演奏數(shù)據(jù)DEPTH = 256 ; /實(shí)際深度139ADDRESS_RADIX = DEC ; /地址數(shù)據(jù)類(lèi)是十進(jìn)制DATA_RADIX = DEC ; /輸出數(shù)據(jù)的類(lèi)型也是十進(jìn)制CONTENT BEGIN /注意實(shí)

15、用文件中要展開(kāi)以下數(shù)據(jù)，每一組占一行00: 3 ; 01: 3 ; 02: 3 ; 03: 3; 04: 5; 05: 5; 06: 5; 07: 6; 08: 8; 09: 8;10: 8 ; 11: 9 ; 12: 6 ; 13: 8; 14: 5; 15: 5; 16:12; 17: 12;18: 12;19:15;20:13 ; 21:12 ; 22:10 ; 23:12; 24: 9; 25: 9; 26: 9; 27: 9; 28: 9; 29: 9;30: 9 ; 31: 0 ; 32: 9 ; 33: 9; 34: 9; 35:10; 36: 7; 37: 7; 38: 6;

16、39: 6;40: 5 ; 41: 5 ; 42: 5 ; 43: 6; 44: 8; 45: 8; 46: 9; 47: 9; 48: 3; 49: 3;50: 8 ; 51: 8 ; 52: 6 ; 53: 5; 54: 6; 55: 8; 56: 5; 57: 5; 58: 5; 59: 5;60: 5 ; 61: 5 ; 62: 5 ; 63: 5; 64:10; 65:10; 66:10; 67:12; 68: 7; 69: 7;70: 9 ; 71: 9 ; 72: 6 ; 73: 8; 74: 5; 75: 5; 76: 5; 77: 5; 78: 5; 79: 5;80: 3

17、; 81: 5 ; 82: 3 ; 83: 3; 84: 5; 85: 6; 86: 7; 87: 9; 88: 6; 89: 6;90: 6 ; 91: 6 ; 92: 6 ; 93: 6; 94: 5; 95: 6; 96: 8; 97: 8; 98: 8; 99: 9;100:12;101:12 ;102:12 ;103:10;104: 9; 105: 9;106:10;107: 9;108: 8;109: 8;110: 6;111: 5 ;112: 3 ;113: 3;114: 3; 115: 3;116: 8;117: 8;118: 8;119: 8;120: 6;121: 8 ;1

18、22: 6 ;123: 5;124: 3; 125: 5;126: 6;127: 8;128: 5;129: 5;130: 5;131: 5 ;132: 5 ;133: 5;134: 5; 135: 5;136: 0;137: 0;138: 0;END ;四、硬件實(shí)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)電路選擇模式7，電路圖如下所示：4.1引腳鎖定將設(shè)計(jì)編程下載進(jìn)選定的目標(biāo)器件中，作進(jìn)一步的硬件測(cè)試，操作如下：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)信號(hào)與芯片引腳對(duì)照表端口信號(hào)名結(jié)構(gòu)圖上信號(hào)名實(shí)驗(yàn)箱顯示clk2CLOCK24Hzclk3CLOCK0256HzclkCLOCK910MHzrstPIO3鍵4jian5PIO4鍵5jian8PIO7鍵8q

19、1PIO19-PIO16譯碼器1q2PIO23-PIO20譯碼器2q3PIO27-PIO24譯碼器4 q4PIO31-PIO28譯碼器5q5PIO35-PIO32譯碼器7q6PIO39-PIO36譯碼器8speakSPEAKER揚(yáng)聲器led1PIO43-PIO40D4、D3、D2、D1led2PIO47和PIO44D8和D5：引腳鎖定圖如下所示4.2硬件測(cè)試硬件實(shí)現(xiàn)圖片情況結(jié)果分析初始狀態(tài)：設(shè)為12:00:00無(wú)論是按系統(tǒng)復(fù)位鍵還是按鍵4鍵，都可以將數(shù)字鐘回歸初始狀態(tài)，即為12：00：00，同時(shí)蜂鳴一下，表示整點(diǎn)報(bào)時(shí)校分若想改變分的顯示，按動(dòng)鍵5，使分以4Hz為計(jì)數(shù)脈沖，使其計(jì)數(shù)頻率加快，當(dāng)達(dá)到正確時(shí)間時(shí)，松動(dòng)按鍵開(kāi)關(guān)校時(shí)若想改變時(shí)的顯示，按動(dòng)鍵8，使時(shí)以4Hz為計(jì)數(shù)脈沖，使其計(jì)數(shù)頻率加快，當(dāng)達(dá)到正確時(shí)間時(shí)，松動(dòng)按鍵開(kāi)關(guān)秒進(jìn)位秒進(jìn)位前：此時(shí)時(shí)間為05:04:59，當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來(lái)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)給分秒進(jìn)位后：當(dāng)分獲得進(jìn)位信號(hào)后，分在原有的基礎(chǔ)上加1，而此時(shí)，秒會(huì)清零，此時(shí)時(shí)間顯示為05:05:00分進(jìn)位分進(jìn)位前:此時(shí)時(shí)間為05:59:59，又一個(gè)時(shí)鐘上升沿過(guò)來(lái)時(shí)，秒會(huì)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)給分，分會(huì)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)給時(shí)分進(jìn)位后：時(shí)在原有的基礎(chǔ)上