fpga数字钟课程设计报
告
Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
课程设计报告
设计题目：基于FPGA的数字钟设计 班级：电子信息工程1301
姓名：王一丁 指导教师：李世平 设计时间：2016年1月 摘要
EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化，是以
大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，通过相关的软件，自动完成软件方式设计得电子系统到硬件系统，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。本次课程设计利用Quartus II 为设计软件，VHDL为硬件描述语言，结合所学知识设计一个多功能时钟，具有显示年、月、日、时、分、秒显示，计时，整点报时，设定时间等功能。利用硬件描述语言VHDL 对设计系统的各个子模块进行逻辑描述，采用模块化的思想完成顶层模块的设计，通过软件编译、逻辑化简、逻辑综合优化、逻辑仿真、最终完成本次课程设计的任务。
关键词：EDA VHDL语言 数字钟
目 录
摘要
1 课程设计目的 2 课程设计内容及要求
设计任务
设计要求 3 VHDL程序设计
方案论证 系统结构框图 设计思路与方法 状态控制模块 时分秒模块 年月日模块 显示模块 扬声器与闹钟模块
RTL整体电路 4 系统仿真与分析
5 课程设计总结，包括.收获、体会和建议 6 参考文献
1 课程设计目的
(1)通过设计数字钟熟练掌握EDA软件(QUARTUS II)的使用方法，
熟练进行设计、编译，为以后实际工程问题打下设计基础。 (2)熟悉VHDL 硬件描述语言，提升分析、寻找和排除电子设计中常见故障的能力。
(3)通过课程设计，锻炼书写有理论根据的、实事求是的、文理通顺的课程设计报告。
2 课程设计内容及要求
设计任务
(1)6个数字显示器显示时分秒，setpin按键产生一个脉冲，显示切换为年月日。
(2)第二个脉冲可预置年份，第三个脉冲可以预置月份，依次第四、 五、六、七个脉冲到来时分别可以预置时期、时、分、秒，第八个脉冲到来后预置结束正常从左显示时分秒。
(3)up为高时，upclk有脉冲到达时，预置位加一，否则减一。 设计要求
(1)在基本功能的基础上，闹钟在整点进行报时，产生一定时长的高电平。
(2)实现闹钟功能,可对闹钟时间进行预置，当达到预置时间时进行报时。 3 VHDL程序设计 方案论证
该数字钟可以实现：计时功能、整点报时、闹钟和预置时间功能，因此时钟系统可分为5个模块：功能选择模块、时分秒计数模块、年月日计数模块、显示模块、扬声器模块、脉冲产生模块。 (1)功能选择模块是有状态机构成的，功能为依次进行、设置时间、设置闹钟时间。
调整工作状态：数字钟的初始状态显示时分秒，在setpin按键产生一个脉冲，显示切换为年月日。
设置时间：第二个脉冲可预置年份，第三个脉冲可以预置月份，依次第四、 五、六、七个脉冲到来时分别可以预置时期、时、分、秒。第八个脉冲到来后，预置结束恢复初始状态，正常显示时分秒。
设置闹钟时间：闹钟在setpin1按键产生第一个脉冲时设定闹钟的时，第二个脉冲设定分，第三个脉冲设定秒，第四个脉冲恢复显示时分秒。
(2)时分秒计数模块包括正常计时、闹钟、整点报时三个功能。 正常计时功能通过软件编写，60进制的秒计数器，60进制的分计数器，24进制的时计数器。时分秒的计数器具有清0、置数、进位和计数功能。其中reset为清0信号，当reset为0时，时分秒的计数器清0。当set产生第四个脉冲后，连续产生的set信号使分秒计数器依次进行置数。以upclk为时钟，通过up对预置位进行控制，当up为高时且upclk有脉冲到来时，预置位加一，否则减一。当set产生第八个脉冲时，数字钟恢复时分秒的显示。
闹钟功能是在正常计数功能上拓展，分为闹钟时间预置和闹钟响应两个部分。闹钟时间预置功能：当set1连续产生脉冲时，依次对闹钟的时分秒位进行预置。以upclk为时钟，通过up对预置位进行控制，当up为高时且upclk有脉冲到来时，预置位加一，否则减一。当set1产生第四个脉冲时，数字钟恢复时分秒的显示。与此同时在程序中增添变量时计时功能可以持续运行。闹钟响应功能：通过预置后，储存的变量与计时器模块的时、分、秒进行比对，当
时、分、秒相同时，模块产生一个一段时间的高电平，传输给闹钟响应模块。
整点报时功能：当计数器中的分位等于59，秒位等于59时，模块产生一段高电平，输出给扬声器模块进行报时。
(3)年月日计数模块分为年月日计数功能，年月日预置数功能。 年月日计数功能：以时位的进位脉冲为计时脉冲，闰年二月份为29天，普通年二月份为28天。一月、三月、五月、七月、八月、十月、十二月为31天，四月、六月、九月、十一月为30天。 年月日预置数功能：当set产生第一个脉冲后，依次进行年月日数器置数。以upclk为时钟，通过up对预置位进行控制，当up为高时且upclk有脉冲到来时，预置位加一，否则减一。
(4) 显示模块：以时分秒，年月日模块的输出、状态标志为输入信号，通过状态控制模块产生的状态标志对显示模块进行控制，显示计时、预置时的不同状态。
(5)扬声器模块：输入信号为分位、秒位和状态信号，当计时时钟到达整点是输出高电平，其他时刻输出低电平。
(6)脉冲产生模块：对输入的信号进行1000分频，产生周期为一秒的时钟信号，用于数字钟的时钟输入。 系统结构框图 设计思路与方法 状态控制模块
状态控制模块实现对各个功能模块的整体设计，包括对时间与日期的显示与调整，闹钟的显示与调整等控制操作。状态机的输入为setpin，setpin1，upclk。状态机的状态有11种状态。g0：闹钟设置时位； g1：闹钟设置分位； g2：闹钟设置秒位；
s0：时钟显示时分秒；s1：时钟显示年月日； s2：钟设置年； s3：时钟设置月； s4：时钟设置日； s5：时钟设置时； s6：时钟设置分； s7：设置秒
在产生如上状态的同时产生Tlock，flag状态标志，此标志用来进行时钟设置、闹钟设置与显示控制。 RTL 电路图 实现代码如下： process(upclk) begin
if (upclk='1' and upclk'LAST_VALUE='0')then state<=next_state; -- 实现状态变换
end if;
end process;
process(state,setpin,setpin1) begin
next_state<=state; case(state) is when s0 =>
Tlock<=\"0000\"; flag<='1';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then next_state<=g0; end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then next_state<=s1; end if; when s1=> Tlock<=\"0001\"; flag<='1';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then
next_state<=g0;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then
next_state<=s2;end if;
when s2=> Tlock<=\"0010\"; flag<='1';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then next_state<=g0;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then
next_state<=s3;end if;
when s3=> Tlock<=\"0011\";
flag<='1';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then next_state<=g0;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then
next_state<=s4;end if;
when s4=> Tlock<=\"0100\"; flag<='1';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then next_state<=g0;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') thennext_state<=s5;end if;
when s5=>
Tlock<=\"0101\"; flag<='1';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then next_state<=g0;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') thennext_state<=s6; end if; when s6=> Tlock<=\"0110\"; flag<='1';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then
next_state<=g0;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then
next_state<=s7;end if; when s7=>
Tlock<=\"0111\"; flag<='1';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then
next_state<=g0;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then
next_state<=s0; end if;
when g0=> Tlock<=\"1000\"; flag<='0';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then
next_state<=g1;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then
next_state<=s0;end if;
when g1=> Tlock<=\"1001\"; flag<='0';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then
next_state<=g2;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then
end if;
next_state<=s0;
when g2=> Tlock<=\"1010\"; flag<='0';
if(setpin1='1' and setpin1'LAST_VALUE='0')then
next_state<=s0;end if;
if(setpin='1' and setpin'LAST_VALUE='0') then
next_state<=s0;end if;
when others=> next_state<=s0; end case; end process;
时分秒模块
时分秒模块的输入为ce(使能端)，clk0(系统输入时钟)，clk1(upclk时钟)，flag(标志位)，lock(状态位)，up(预置位增减控制)，ov(进位位)，op(闹钟与扬声器响应)。 时分秒模块的RTL电路图
时钟选择方式：在初始状态和显示年月日的状态下，时分秒模块的时钟输入为系统时钟输入(clk0),在其他状态下，时分秒模块的时钟输入为(upclk时钟)用来进行置位。 实现代码入下：
process(lock,clk0,clk1) begin
if(lock=\"0000\" or lock=\"0001\")then
clk<=clk0; --正常计数时选择clk0 else clk<=clk1; --预置的时候clk1 end if;
end process;
时钟计时功能，在显示年月日，时分秒的状态时，时钟正常计数。当数字钟处于置数状态时，年、月、日、时、分、秒时钟停止计时，各个位显示预置数。在闹钟的预置功能实现的同时，通过增添变量，在设置闹钟的同时保证时钟的正常计数，在闹钟预置结束后，恢复到初始的时钟显示。 年月日模块
年月日模块分为日期增加和日期减小两个部分，日期增加：在显示时分秒，显示年月日和设置完秒位的状态下，如果是二月，通过函数判断是否为闰年，其他月份对大小月进行判断，大月为31天，小月为30天，代码如下：
if(clk'event and clk='1')then
if(ce='1')then
if(lock=\"0000\")or(lock=\"0001\")or(lock=\"0100\"and
up='1')then
if(mon0=\"0010\"and mon1=\"0000\") then
Feb_add_day(Td0,Td1,tempy0,tempy1,date0,date1); elsif((mon0=\"0001\"and
mon0=\"0000\")or(mon0=\"0011\")or(mon0=\"0101\")
or(mon0=\"0111\")or(mon0=\"1000\")or(mon0=\"0000\"and mon1=\"0001\")or(mon0=\"0010\"and mon1=\"0001\"))then
oddmonth_add_day(Td0,Td1,date0,date1);
else evenmonth_add_day(Td0,Td1,date0,date1); end if; end if;
日期减少同理，代码如下： if(lock=\"0100\"and up='0')then if(mon0=\"0010\"and mon1=\"0000\")then
Feb_add_day(Td0,Td1,tempy0,tempy1,date0,date1);
elsif((mon0=\"0001\"and
mon1=\"0000\")or(mon0=\"0011\")or(mon0=\"0101\")
or(mon0=\"0111\")or(mon0=\"1000\")or(mon0=\"0000\"and
mon1=\"0001\")
or(mon0=\"0010\"and mon1=\"0001\"))then
oddmonth_sub_day(Td0,Td1,date0,date1); else evenmonth_sub_day(Td0,Td1,date0,date1); END IF; end if; end if; end if;
当以日位的进位为输入，当存在输入脉冲时，通过函数对月份进行加减，代码如下： begin
if(clk'event and clk='1')then if(ce='1')then
if(lock=\"0000\")or (lock=\"0001\")or
(lock=\"0011\"and up='1')then
add_month(Tm0,Tm1,mon0,mon1);
end if;
if(lock=\"0011\"and up='0')then sub_month(Tm0,Tm1,mon0,mon1); end if;
if (lock=\"0000\")or (lock=\"0001\") then
if(mon0=\"0010\"and mon1=\"0001\")then
sub_year(Ty0,Ty1,year0,year1); end if; end if;
if(lock=\"0010\"and up='1')then add_year(Ty0,Ty1,year0,year1); end if;
if(lock=\"0010\"and up='0')then sub_year(Ty0,Ty1,year0,year1); end if; end if; end if;
显示模块
显示模块的输入为年、月、日、时、分、秒、lock(状态标志)，通过if语句，状态机一共提供11钟状态。在不同状态下，给显示模块的年月日时分秒不同的输入，从而得到要求的显示。 显示电路的RTL电路 代码如下：
process(lock,sec0,sec1,min1,min0,hour1,hour0,date0,date1,mon0,mon1,year0,year1) begin
if(lock=\"0000\")then
a0<=sec0;a1<=sec1;b0<=min0;b1<=min1;c0<=hour0;c1<=hour1; end if;
if(lock=\"0001\")then
a0<=date0;a1<=date1;b0<=mon0;b1<=mon1;c0<=year0;c1<=year1; end if;
if(lock=\"0101\")or(lock=\"1000\")then
a0<=\"1111\";a1<=\"1111\";b0<=\"1111\";b1<=\"1111\";c0<=hour0;c1<=hour1; end if;
if(lock=\"0110\")or(lock=\"1001\")then
a0<=\"1111\";a1<=\"1111\";b0<=min0;b1<=min1;c0<=\"1111\";c1<=\"1111\"; end if;
if(lock=\"0111\")or(lock=\"1010\")then
a0<=sec0;a1<=sec1;b0<=\"1111\";b1<=\"1111\";c0<=\"1111\";c1<=\"1111\"; end if;
if(lock=\"0010\")then
a0<=\"1111\";a1<=\"1111\";b0<=\"1111\";b1<=\"1111\";c0<=year0;c1<=year1; end if;
if(lock=\"0011\")then
a0<=\"1111\";a1<=\"1111\";b0<=mon0;b1<=mon1;c0<=\"1111\";c1<=\"1111\"; end if;
if(lock=\"0100\")then
a0<=date0;a1<=date1;b0<=\"1111\";b1<=\"1111\";c0<=\"1111\";c1<=\"1111\"; end if; end process; end led_disp_arc;
脉冲发生电路将提供的1000hz频率分频成1hz(供系统时钟)。f1000为1000hz输入，second_wave为分频输出。 分频器的RTL电路 代码如下： process(f1000,cnt) begin
if(f1000'event and f1000='1')then if(cnt=\"00000011\")then
cnt<=\"000000000\";second_wave<=not second_wave; else cnt<=cnt+'1'; end if; end if; end process;
end second_wave_arc;
扬声器模块
模块的输入为clk(系统时钟)，op(响应信号)，vcc(闹钟使能端)，ala(高电平输出)。当vcc为高时，且当op有响应信号输入(高)，闹钟产生一定时长的高电平。 闹钟的RTL电路 代码如下：
signal temp1:std_logic_vector(3 downto 0); begin
process(op,vcc,clk) begin
if clk'event and clk='1' then if(vcc='1')then if(temp1=\"1111\")then
ala<=not ala;
else
temp1<=temp1+'1'; ala<='1'; end if; end if; end if;
end process;
end alarm_arc; 整体RTL电路 4 系统仿真与分析 对基本要求的仿真
初态设置：setpin1=0；up=0；setpin置连续8个脉冲，f1000为频率为1000hz的方波。
分析：在setpin第一次脉冲到来时，显示年月日，因为数字钟是初始状态所以年月日均为0。Setpin。第二次脉冲到来时对时进行预置数，因为up=0，所以设置时位，时位在不断地减小，在后面各位预置的过程中，每一位的预置过程都是减小。第三次脉冲来到是对分位进行预置，第四次脉冲到来时对秒位进行预置。第四次脉冲到来时对年进行预置，第五次脉冲到来时对月进行预置，第六次脉冲到来时对日进行预置。第七次脉冲到来时，数字钟显示时分秒，从仿真结果可以看出来，此时时钟是从预置的时间开始计时的，第八次脉冲到来时，此时时钟显示的是年月日，此时显示的年月日为预置的年月日。
从上述分析可以看出，经过仿真的程序基本达到数字钟的基本要求，系统可靠。
对闹钟状态转换的仿真
初始设置：初态设置：setpin1设计一个脉冲；up=0；setpin置连续2个脉冲，f1000为频率为1000hz的方波。
当第一个setpin脉冲到来时，显示年月日，第二个setpin脉冲来临时时钟对年进行预置，此后setpin1的第一个脉冲到来，时钟的状态转为对闹钟时间的设置，达到实验要求。
对闹钟功能的仿真
初始设置：初态设置：setpin1设计三个脉冲；up=0；f1000为频率为1000hz的方波。
数字钟的原状态显示时分秒，由于未进行初始化，所以时分秒从0开始计时，当setpin1第一个脉冲到来时，数字钟对闹钟的时刻的时位进行预置，当setpin1第二个脉冲到来时，数字钟对闹钟的时刻的分位进行预置，当setpin1第三个脉冲到来时，数字钟对闹钟的时刻的秒位进行预置，当第四个脉冲到来是恢复显示时分秒，此时的时分秒已经计数到51秒，符合预期，在设置闹钟的同时，时钟依旧计数，达到要求。
同时从初始时刻，闹钟的扬声器产生一定时长高电平可以看出整点报时功能良好，达到设计要求。 5 课程设计总结(收获、体会和建议)
本次VHDL设计的数字钟定义了三种类型的端口，分别是in、out、buffer。In和out端口使用简单，buffer端口具有回读功能，因为buffer类型的端口不能连接到其他类型的端口上，因此不利于子模块原件例化，不利于大型设计。
进程（Process）是VHDL中最为重要的部分，在本次设计中。我出现了对于时钟引入，输出多驱动，一个进程中不允许出现两个时
钟沿触发的错误，这些错误在未来的设计中都是应该避免的。顺序语句如IF语句、CASE语句、LOOP语句、变量赋值语句等必须出现在进程、函数或子程序内部，而不能单独出现在进程之外。 本次实验让我对VHDL 语言有了更深的认识，对语言的运用更加熟悉，为未来的实际应用打下了良好的基础。因为实验室的条件限制，并没有将程序下载到实际器件中观察现象，只是通过软件对系统进行仿真，希望以后可以机会接触并使用实际器件。 6 参考文献
1. 吴廷鑫. 基于FPGA的多功能数字钟设计[J]. 科技经济市场, 2015, (5): 1-5
2.徐大诏. 基于FPGA实现的数字钟设计[J]. 信息技术, 2009, (12): 101-104
3.张子刚, 卢戈, 田鹏. 基于VHDL的数字时钟的设计[J]. 气象水文海洋仪器, 2008, (2): 10-14
4.樊永宁, 张晓丽. 基于VHDL的多功能数字钟的设计[J]. 工矿自动化, 2006, (3): 92-94
5.江翠云 基于CPLD和VHDL的数字钟的设计[期刊论文]-硅谷2010(2)
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