FPGA的數(shù)字日歷設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 FPGA的數(shù)字日歷設(shè)計(jì) 基于FPGA 設(shè)計(jì)數(shù)字日歷可以實(shí)現(xiàn)以軟件方式設(shè)計(jì)硬件的目的，無需購買專用數(shù)字芯片，從而克服了傳統(tǒng)利用多片數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字日歷存在焊接麻煩、調(diào)試繁瑣、成本較高等問題。而且，基于FPGA 的數(shù)字日歷與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)速度、降低成本、計(jì)時(shí)精度、功能實(shí)現(xiàn)上都得到大幅度提升，能夠更好地滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?本文介紹如何利用VHDL 硬件描述語言設(shè)計(jì)一個(gè)具有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)顯示功能，時(shí)間調(diào)整功能和整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能的數(shù)字日歷。在Quartus 開發(fā)環(huán)境下，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，建立各個(gè)基本模塊，再構(gòu)建成一個(gè)完整的基于

2、FPGA 設(shè)計(jì)的數(shù)字日歷的頂層模塊，然后對其開展編譯、仿真、引腳鎖定，終到可編程邏輯器件上開展結(jié)果驗(yàn)證。 1 數(shù)字日歷整體設(shè)計(jì)方案 基于FPGA 的數(shù)字日歷設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。其原理框圖如圖1所示。整個(gè)數(shù)字日歷由六個(gè)部分組成：顯示控制部分，時(shí)分秒部分，年月日部分，定時(shí)與整點(diǎn)報(bào)時(shí)部分，星期部分，調(diào)整控制部分。秒、分、時(shí)分別由兩個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器和一個(gè)24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器組成。當(dāng)個(gè)計(jì)數(shù)器到達(dá)進(jìn)位的條件時(shí)向下一計(jì)數(shù)器進(jìn)位。同樣日、月、年也是由不同的計(jì)數(shù)器組成，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需進(jìn)位的條件時(shí)向下一計(jì)數(shù)器進(jìn)位，各計(jì)數(shù)器在進(jìn)位的同時(shí)分別把各自的結(jié)果輸出給顯示部分開展實(shí)時(shí)顯示。 圖1 數(shù)字日歷原理框圖

3、2 數(shù)字日歷的工作原理 首先由外部振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號(hào)，作為數(shù)字日歷的時(shí)間基準(zhǔn)，然后經(jīng)過分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，輸入到FPGA的CLOCK端，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。當(dāng)秒計(jì)數(shù)器滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“24進(jìn)1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)滿后各計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù)。日部分由于日有28天、29天、30天、31天4種情況，故日由年和月共同判斷其天數(shù)，日計(jì)滿后向月進(jìn)位，月滿后向年進(jìn)位。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送數(shù)碼管顯示。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分、校秒和校年、校月、校日。 設(shè)計(jì)中用到了6 個(gè)按鍵K1，K2，K3，K4，ZHENG，NAO。其中K1用于切換顯示

4、，剛開始時(shí)顯示日期，按兩次K1顯示星期+時(shí)間，再按兩次K1顯示定時(shí)時(shí)間，再按兩次重新顯示日期，以此循環(huán)。K2、K3和K4配合開展調(diào)節(jié)：開始正常顯示不開展調(diào)節(jié)；當(dāng)按兩下K2 鍵切換到對分鐘開展調(diào)節(jié)，此時(shí)每按兩下K3 鍵分鐘加1；再按兩下K2 鍵切換到對小時(shí)開展調(diào)節(jié)，此時(shí)每按兩下K3 鍵小時(shí)加1；依照分鐘小時(shí)星期天月年定時(shí)正常分鐘的次序循環(huán)調(diào)節(jié)，每按兩下K2 鍵切換到調(diào)節(jié)相應(yīng)顯示，此時(shí)每按下K3鍵兩次，對應(yīng)顯示加1；當(dāng)切換到定時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)，每按兩下K3鍵，定時(shí)的分鐘加1，此時(shí)按兩下K4 鍵，切換到定時(shí)小時(shí)調(diào)節(jié)，每按兩下K3 鍵，定時(shí)的小時(shí)加1。按鍵ZHENG和NAO為整點(diǎn)報(bào)時(shí)和定時(shí)鬧鐘的使能端（低電平

5、有效）。 3 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)分為秒分時(shí)、年月日、按鍵調(diào)整、控制顯示、鬧鐘等幾大模塊。設(shè)計(jì)好各子模塊，然后在原理圖編輯窗口創(chuàng)立頂層原理圖文件shuzirili.bdf，將各子模塊按照邏輯關(guān)系連接起來得到數(shù)字日歷電路部分的原理圖。下面對各子模塊設(shè)計(jì)及仿真開展介紹。 3.1 時(shí)分秒模塊 分和秒都是60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，小時(shí)則是24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，先對各個(gè)子模塊開展設(shè)計(jì)編譯，驗(yàn)證無誤后再將其組織到一起。外部時(shí)鐘信號(hào)通過秒模塊的clk 輸入，產(chǎn)生的進(jìn)位信號(hào)輸送到分模塊的clk，分模塊產(chǎn)生的進(jìn)位信號(hào)輸送到小時(shí)模塊的clk，構(gòu)成時(shí)分秒模塊。其構(gòu)造圖如圖2所示。 圖2 時(shí)分秒原理圖 3.2 星期模塊 星期模塊為

6、七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)來自于調(diào)時(shí)電路產(chǎn)生的星期進(jìn)位脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)至6 瞬間，計(jì)星期模塊返回0 重新開始計(jì)數(shù)。 3.3 年月日模塊 年月日模塊有daycounter 模塊、days-control 模塊、monthcounter模塊、yearcounter模塊組成，具有大小月判斷和閏年判斷功能，其構(gòu)造圖如圖3所示。 圖3 年月日連接框圖 下面以年月日模塊為例，連接好之后開展編譯并仿真，閏/平年的2月仿真結(jié)果如圖4，圖5所示，年進(jìn)位如圖6所示。 圖4 仿真結(jié)果（20*年2月） 圖5 仿真結(jié)果（20*年2月） 圖6 仿真結(jié)果（20*年12月） 年月日模塊計(jì)數(shù)設(shè)定為2000年2999年，從圖4中

7、可以看出20*年2月，計(jì)數(shù)到29天；從圖5得到20*年2 月計(jì)數(shù)到28天；從圖6看出20*年12月計(jì)數(shù)到31天，設(shè)計(jì)正確。 3.4 定時(shí)模塊 定時(shí)模塊通過按鍵K4來切換調(diào)節(jié)定時(shí)的分鐘和小時(shí)，調(diào)整功能由調(diào)時(shí)模塊的按鍵K3來完成，每按兩下K3對應(yīng)的顯示加1。 3.5 調(diào)時(shí)模塊 調(diào)時(shí)模塊設(shè)計(jì)思想是：通過把整個(gè)設(shè)計(jì)中的上一個(gè)模塊（比方：分的上一個(gè)模塊是秒；年的上一個(gè)模塊是月，等等）的進(jìn)位輸出接到本模塊的輸入in，out接到下一個(gè)模塊的時(shí)鐘輸入。正常狀態(tài)下sout=fin，fout=hin，hout=din，dout=min，mout=yin ，win=hout；當(dāng)每按下兩次K2鍵，產(chǎn)生一個(gè)上升沿分別對

8、fin，hin，win，din，min，yin，dingshi調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)由K3 給出。其中定義一個(gè)信號(hào)w，計(jì)數(shù)到7 返0，對應(yīng)正常狀態(tài)，fin，hin，win，din，min，yin，dingshi 7個(gè)狀態(tài)。 當(dāng)K2 每來一個(gè)上升沿時(shí)，分別對分，時(shí)，星期，天，月，年以及定時(shí)調(diào)整，調(diào)整信號(hào)由K3 給出，經(jīng)仿真調(diào)時(shí)模塊結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求符合。 3.6 控制模塊 控制模塊通過K1按鍵開展切換顯示調(diào)整，起初顯示年月日，按下2次K1顯示時(shí)間，再按下2次顯示定時(shí)時(shí)間。 若仿真參數(shù)設(shè)置數(shù)值為：20* 年05 月15 日，星期三，15:28（33 s），定時(shí)為07:19。仿真后結(jié)果如圖7所示。 從圖7可

9、以看出，通過K1 按鍵控制顯示，開始顯示年月日：20*0515,當(dāng)按下K1 兩下，顯示星期+時(shí)間：03152833；再按兩下顯示定時(shí)時(shí)間：00000719。仿真結(jié)果與預(yù)期設(shè)計(jì)一致，設(shè)計(jì)正確。 圖7 仿真結(jié)果 3.7 鬧鐘模塊 鬧鐘模塊設(shè)計(jì)為當(dāng)定時(shí)時(shí)間到或者整點(diǎn)時(shí)鬧鈴響，分別有ZHENG，NAO 兩個(gè)控制端子控制，低電平有效。經(jīng)驗(yàn)證，定時(shí)和整點(diǎn)報(bào)時(shí)仿真結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。 3.8 頂層模塊 將各個(gè)子模塊設(shè)計(jì)好之后，并創(chuàng)立各自文件的圖元，以供原理圖設(shè)計(jì)文件中調(diào)用。然后在原理圖編輯窗口創(chuàng)立頂層原理圖文件shuzirili.bdf，即將各圖元的引線端子按照邏輯關(guān)系連接起來，得到如圖8所示的完整原理圖，

10、也即頂層模塊。 對頂層文件分別開展時(shí)間、日期、鬧鈴功能的波形仿真，得到的仿真結(jié)果和預(yù)想設(shè)計(jì)一致，說明設(shè)計(jì)正確。 圖8 頂層原理圖 4 硬件驗(yàn)證 在Quartus 開發(fā)環(huán)境中完成上述軟件設(shè)計(jì)及仿真后，還需將程序到FPGA器件中開展硬件測試，以進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)程序是否正確。硬件驗(yàn)證時(shí)，還需對頂層文件開展管腳分配、并編譯，然后將編譯好的目標(biāo)文件通過電纜到FPGA 開發(fā)板中開展驗(yàn)證和調(diào)試。 采用GW48-SPOC/EDA 實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)并設(shè)置在工作模式0來驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。下面僅給出部分驗(yàn)證結(jié)果。剛完成，數(shù)碼管顯示20000000,按兩下K1切換到時(shí)間顯示，才剛剛開始計(jì)數(shù)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出“滴答滴答”的頻率為

11、1 Hz的響聲（為整點(diǎn)報(bào)時(shí)）60 s，然后通過按鍵8（K1）、鍵7（K2）、鍵6（K3）、鍵5（K4）對各個(gè)功能開展驗(yàn)證。首先調(diào)整時(shí)間，按兩下K2鍵切換到分的調(diào)整，此時(shí)每按兩下K3 鍵，分鐘加1，驗(yàn)證過程中看到加到59就變?yōu)?0；再按兩下K2鍵切換到小時(shí)的調(diào)整，此時(shí)每按兩下K3鍵，分鐘加1；用同樣的方法調(diào)整星期，天，月，年以及定時(shí)的分鐘和小時(shí)。 調(diào)整日期為20*年7月31號(hào)，當(dāng)再調(diào)整天時(shí)，就變?yōu)?0*年7月1號(hào)，結(jié)果如圖9所示。其他月份實(shí)驗(yàn)結(jié)果也符合生活規(guī)律，與設(shè)計(jì)要求一致。 其他的測試結(jié)果，數(shù)碼管能夠正確顯示計(jì)時(shí)時(shí)間，定時(shí)驗(yàn)證及時(shí)間調(diào)節(jié)、整點(diǎn)報(bào)時(shí)均能夠正常工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。 圖9 實(shí)際電路驗(yàn)證 5 結(jié)語 本文基于FPGA 環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)具有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)顯示功能，時(shí)間調(diào)整功能和整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能的數(shù)字日歷系統(tǒng)，并將之到FPGA 芯片EP1C3T144-3 上開展結(jié)果驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說明：數(shù)碼管能夠正確顯示計(jì)時(shí)時(shí)間，能夠通過按鍵調(diào)整時(shí)間，能夠設(shè)定時(shí)間并調(diào)整，整點(diǎn)報(bào)時(shí)能夠正常工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。由于設(shè)計(jì)中利用硬件描述語言和FPGA芯片相結(jié)合開展數(shù)字日歷的研究，即利用EDA 技術(shù)在一定程