基于eda的數(shù)字鐘程序設計.doc

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一、課題要求： （1）技術要求：1、掌握多功能數(shù)字鐘的工作原理。 2、應用EDA技術，VHDL語言編寫程序。 3、層次化設計，設計原理框圖。 4,、硬件設計及排版。 （2）功能要求：1、基本功能：能進行正常的時、分、秒計時功能，分別由6個數(shù)碼管顯示24小時、60分鐘、60秒的計數(shù)器顯示。 2、 擴展功能：（1）能夠利用按鍵實現(xiàn)“校時”“校分” “清零”功能。 （2） 能利用揚聲器做整點報時，整點前 五秒短聲，整點長聲。 （3）本人工作：負責軟件部分,,編寫各部分模塊的VHDL程序，并且鎖定引腳，將程序下載到芯片中。 二、設計方案： 原理框圖: 數(shù)字鐘原理框圖 一共有11個小模塊：分頻，片選，按鍵，小時，分，秒，顯示模塊，七段顯示譯碼器，報 時，揚聲，36譯碼器。 左邊第一個是時鐘信號輸入端，50Mhz到分頻模塊。第二個為清零按鍵，第三個為校分按 鍵，第四個為校時按鍵。 右邊第一個為七段顯示譯碼器輸出端，第二個為揚聲器輸出端，第三個為6個數(shù)碼管輸出 端。 中間模塊為數(shù)字鐘的核心，有計時，報時，校時功能。 三、單元模塊設計 1、分頻模塊 該模塊是將時鐘脈沖50Mhz分頻到1000、500和1，分別給報時模塊和及時模塊。 2、秒模塊 仿真圖 該模塊為60進制計數(shù)器，有分頻模塊得到的1hz進行計時，計時輸出為秒的數(shù)值，在計時到59時進位1到co端。當按下s3時，秒清零。 3.、分模塊 仿真圖 該模塊也為60進制計數(shù)器，計時輸出為分的數(shù)值。在EN信號有效且時鐘來時，計數(shù)器加1、在s2按下時，EN使能端有效，實現(xiàn)校分功能。 4、時模塊 仿真圖 該模塊為24進制計數(shù)器，計時輸出為小時的數(shù)值，在EN信號到來時，計數(shù)器加1，在S1按下時，EN信號有效，實現(xiàn)校時功能。 5、片選模塊 仿真圖 該模塊提供數(shù)碼管片選信號。 6、按鍵模塊 仿真圖 該模塊是有幾個門電路組成，把它編寫成一個模塊，到時寫程序方便。該模塊連接幾個按鍵，由按鍵控制。 7、報時模塊 仿真圖 該模塊為整點報時提供控制信號，當59分時，秒為50，52，54，56，58時，Q500輸出“1”；秒為00時，Q1000輸出“1”。這兩個信號經(jīng)過邏輯門實現(xiàn)報時功能。 8、BBB模塊 仿真圖 該模塊對應不同的片選信號送出不同的要顯示的數(shù)據(jù)。 9、36譯碼器模塊 仿真圖 該模塊為36譯碼器，為輸出到數(shù)碼管對應功能。 10、七段譯碼器模塊 仿真圖 該模塊為七段譯碼器，輸出到數(shù)碼管的每一個引腳，可以正確的點亮每一個數(shù)碼管。 11、揚聲模塊 仿真圖 該模塊也為幾個門電路組合，控制著對揚聲器的輸入，當時間到達某一點時，輸出不同的脈沖信號到揚聲器，給予揚聲器信號。 四、頂層模塊設計 程序圖： 總體框圖 頂層文件將上面11個小模塊集合到一起構(gòu)成了總的程序，最終也是將這個頂層文件寫到FPGA芯片中。 五、硬件電路設計 由另一位同學負責，收集好器件，將器件排版在電路板上，并將其焊接成成品。 六、硬件電路安裝及調(diào)試 在EDA中，將頂層文件各個輸入與輸出端口鎖定引腳。 鎖定好引腳后將整個頂層文件下載到FPGA芯片中。 注：在下載時，要注意先安裝USB程序，再設置IDE環(huán)境設置，然后再programmer中選擇自己要的文件，下載時必須先安裝好芯片再接電源，下載成功后，先拔電源，再拔下USB。 下載好以后，用杜邦線將硬件和芯片的引腳連接好，檢查無誤后進行測試。 七、調(diào)試結(jié)果 為了每個模塊的正確性，將一一對每個模塊進行測試。將芯片與硬件連接好，檢查無誤后，打開電源，此時硬件上的數(shù)碼管開始計時，等到秒為59時，下一秒，分為1，秒為00。然后用校時功能按鍵將分校分到59分，此時當秒為50時，揚聲器開始響，并且到整點時，揚聲器持續(xù)響一段時間。按下S3，秒清零。調(diào)試結(jié)束，基本功能能夠計時，并且進位到分和時，擴展功能，按下S2和S3后能夠進行分和時的校時，并且到整點時開始報時。 八、設計中遇到的問題及解決方案 我負責軟件部分，開始在編寫程序時根本無從下手，再找了一些資料后終于對數(shù)字鐘有些了解。用EDA設計每一個模塊，都需要一個一個的去仿真，看程序?qū)Σ粚?，?jīng)常在一些小程序上出現(xiàn)問題。本來有好多門電路，發(fā)現(xiàn)放在頂層文件中比較麻煩，所以將這些門電路組成兩個模塊，按鍵模塊和揚聲模塊，這樣方便頂層文件的編寫。分頻模塊，由于要將50MHz的脈沖分到1000Hz，500Hz，和1Hz，分頻量比較大，不能仿真，只能先改小一下數(shù)據(jù)，驗證程序是否正確。36譯碼器部分，本來使用的是38譯碼器，發(fā)現(xiàn)多了2個輸入，有6個數(shù)碼管，但是38譯碼器并不影響輸出。在下載過程，鎖定引腳，發(fā)現(xiàn)芯片上的引腳與硬件上的引腳是反的，數(shù)碼管顯示的是亂碼。當數(shù)字鐘的時分秒順序錯了以后，不需要重新鎖定引腳，只要將對應的杜邦線對調(diào)一下就行了。我們校時用的按鍵是自鎖開關，其實只要改成下拉電阻就可以了。 九、收獲與體會 經(jīng)過兩個星期的數(shù)電課程設計，收獲很大，讓我們自己設計了數(shù)電模型，從軟件和硬件上學到了很多知識。兩個同學一個設計軟件，一個設計硬件，不僅提高了學習能力，還培養(yǎng)了團隊合作能力。我負責的是軟件部分，這學期正好學習了EDA技術，把它應用到了軟件的程序編寫中來。我們設計的是數(shù)字鐘，雖然數(shù)字鐘看起來很簡單，但是要把每個模塊全部搞在一起還是有點難度的。開始經(jīng)過上網(wǎng)及圖書館借書來了解數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)與工作原理，把它每一部分的模塊摸透清楚后，在開始編程，寫入芯片。同時還要把軟件與硬件結(jié)合起來，在各自做各自的工作時還要緊密結(jié)合自己組員的工作，只有兩個人的東西做完后，組合起來才算真正的完成。 首先明確好數(shù)字鐘的功能，基本功能：能進行正常的時、分、秒計時功能，分別由6個數(shù)碼管顯示24小時、60分鐘、60秒的計數(shù)器顯示。擴展功能：（1）能夠利用按鍵實現(xiàn)“校時”“校分”“清零”功能。（2） 能利用揚聲器做整點報時，整點前五秒短聲，整點長聲。然后設計好總的原理圖，將功能全部覆蓋進去，設計每個模塊，用EDA中的VHDL編寫程序，然后再仿真，根據(jù)仿真圖檢測自己的程序是否正確。當每個模塊在電腦中仿真無誤時，編寫頂層文件，把各個小模塊連接到一起，然后將整個程序畫出原理框圖，與自己預測的相比較。 當軟件做好后，用下載線將自己寫的程序?qū)戇M芯片中，不過此時要注意先連接好線才能開電源，當下載后，要先關電源，再拔USB接口。下載后與同組同學用杜邦線連接開始測試，第一次先將整個程序?qū)懭?，發(fā)現(xiàn)沒有正確顯示，然后一個一個模塊檢測后，發(fā)現(xiàn)了問題，終于數(shù)字鐘做好了，基本功能與擴展功能都出來了。 這次課程設計后，軟件方面有著明顯的提高，而且合作啊能力也提高了，作品完成的還是很好的。首先要感謝老師的細心教導，讓我學習到了好多知識，從硬件到軟件，不僅僅是知識上，還有能力上，還要感謝同組同學，沒有他的硬件，這次數(shù)字鐘也完不成。這次收獲還是很大的，自己的努力與汗水終于沒有出，總結(jié)這次課程設計的經(jīng)驗，在以后的課程設計中能夠更好的發(fā)揮！ 十、參考文獻： 1、《EDA技術與VHDL》 清華大學出版社 2、《數(shù)字系統(tǒng)設計與Verilog HDL(第三版)》 王金明編著 3、《EDA技術與應用（第2版）》 江國強編著 4、《EDA技術實用教程》 科學出版社