EDA电子钟设计.docx
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EDA电子钟设计
EDA电子钟设计
一、设计目的
1.掌握VHDL语言的基本运用。
2.掌握复杂系统的EDA设计方法。
3.学习多层次、多模块系统设计。
4.了解数字钟的工作原理，利用VHDL语言实现数字钟。
5.掌握QuartusⅡ的简单操作并会使用EDA实验箱。
6.掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
二、系统总体设计
我们设计的是多功能数字钟，共有5个系统模块组成，分别是：
液晶显示屏、调时控制开关（用的是拨码开关）、LED显示状态灯及蜂鸣器报时系统和时钟频率系统。
我们设计的是以24小时制显示，数码管扫描显示时、分、秒；能够正常计时和调时、调分等校时功能；经过我们设计的数字钟具有蜂鸣器整点报时的功能，还具备设置闹钟功能。
LED显示
图2.1多功能数字钟模拟系统基本组成框图
三、详细设计
3.1数字钟的基本工作原理
3.1.1时基T产生电路
数字钟以其显示时间的直观性、走时准确性作为一种计时工具，数字钟的基本组成部分离不开计数器，在控制逻辑电路的控制下完成预定的各项功能。
由晶振产生的频率非常稳定的脉冲，经整形、稳定电路后，产生一个频率为1Hz的、非常稳定的计数时钟脉冲。
3.1.2调时、调分信号的产生
由计数器的计数过程可知，正常计数时，当秒计数器（60进制）计数到59时，再来一个脉冲，则秒计数器清零，重新开始新一轮的计数，而进位则作为分计数器的计数脉冲，使分计数器计数加1。
现在我们把电路稍做变动：
把秒计数器的进位脉冲和一个频率为2Hz的脉冲信号同时接到一个2选1数据选择器的两个数据输入端，而位选信号则接一个脉冲按键开关，当按键开关不按下去时（即为0），则数据选择器将秒计数器的进位脉冲送到分计数器，此时，数字钟正常工作；当按键开关按下去时（即为1），则数据选择器将另外一个2Hz的信号作为分计数器的计数脉冲，使其计数频率加快，当达到正确时间时，松开按键开关，从而达到调时的目的。
调节小时的时间也一样的实现。
3.1.3计数显示电路
计数部分：
由两个60进制计数器和一个24进制计数器组成，其中60进制计数器可用6进制计数器和10进制计数器构成；24进制的小时计数同样可用6进制计数器和10进制计数器得到：
当计数器计数到24时，“2”和“4”同时进行清零，则可实现24进制计数。
3.2设计思路
根据系统设计要求,系统设计采用自底向上的设计方法,由时钟分频部分、计时部分、按键部分调时部分和显示部分五个部分组成。
这些模块都放在一个顶层文件中。
3.2.1时钟计数
首先下载程序进行复位清零操作,电子钟从00：
00：
00计时开始。
sethour可以调整时钟的小时部分,setmin可以调整分钟,步进为1。
由于电子钟的最小计时单位是1s,因此提供给系统的内部的时钟频率应该大于1Hz,这里取100Hz。
CLK端连接外部10Hz的时钟输入信号clk。
对clk进行计数,当clk=10时,秒加1,当秒加到60时,分加1；当分加到60时,时加1；当时加到24时,全部清0,从新计时。
用6位数码管分别显示“时”、“分”、“秒”,通过OUTPUT（6DOWNTO0）上的信号来点亮指定的LED七段显示数码管。
3.2.2时间设置
手动调节分钟、小时，可以对所设计的时钟任意调时间，这样使数字钟真正具有使用功能。
我们可以通过实验板上的键7和键4进行任意的调整，因为我们用的时钟信号均是1HZ的，所以每LED灯变化一次就来一个脉冲，即计数一次。
根据系统设计要求,系统设计采用自顶向下设计方法,由时钟分频部分、计时部分、按键部分调时部分和显示部分五个部分组成。
这些模块都放在一个顶层文件中。
1）通过对md1按键高低电平的控制可以进入时钟的另一个调时模式，调试模式和计时模式是分开互不影响的。
然后再通过对md2[1]和md2[2]对时钟进行时间设定。
等到计时到达设置时间时，实现打铃功能。
2）用6位数码管分别显示“时”、“分”、“秒”,通过DOUT（6DOWNTO0）上的信号来点亮指定的LED七段显示数码管。
3）由于电子钟的最小计时单位是1s,因此提供给系统的内部的时钟频率应该大于1Hz,这里取100Hz。
CLK端连接外部10Hz的时钟输入信号clk。
对clk进行计数,当clk=10时,秒加1,当秒加到60时,分加1；当分加到60时,时加1；当时加到24时,全部清0,从新计时。
4）首先下载程序进行复位清零操作,电子钟从00：
00：
00计时开始。
md2[1]可以调整时钟的小时部分,md2[2]可以调整分钟,步进为1。
顶层设计分析：
对于电子钟的设计,这里将采用自底向上的设计方法进行设计,因此首先需要进行电子钟的底层设计。
本节将首先介绍电子钟的系统结构和模块划分,然后设计出顶层VHDL设计程序。
源程序：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entityszzis
------------------------------------------------端口定义
port（clk:
instd_logic;
clk1:
instd_logic;
md1:
instd_logic;
md2:
instd_logic_vector（1downto0）;
ledout1:
outstd_logic;
ledout2:
outstd_logic;
speak:
outstd_logic;
dout:
outstd_logic_vector（6downto0）;
selout:
outstd_logic_vector（2downto0））;
endszz;
architectureoneofszzis
signalsel:
std_logic_vector（2downto0）;
signalhou1:
std_logic_vector（3downto0）;
signalhou2:
std_logic_vector（3downto0）;
signalmin1:
std_logic_vector（3downto0）;
signalmin2:
std_logic_vector（3downto0）;
signalseth1:
std_logic_vector（3downto0）;
signalseth2:
std_logic_vector（3downto0）;
signalsetm1:
std_logic_vector（3downto0）;
signalsetm2:
std_logic_vector（3downto0）;
signalsec1:
std_logic_vector（3downto0）;
signalsec2:
std_logic_vector（3downto0）;
signalh1:
std_logic_vector（3downto0）;
signalh2:
std_logic_vector（3downto0）;
signalm1:
std_logic_vector（3downto0）;
signalm2:
std_logic_vector（3downto0）;
signals1:
std_logic_vector（3downto0）;
signals2:
std_logic_vector（3downto0）;
begin
----------------------------------------------模6计数
choice:
process（clk1）
begin
ifclk1'eventandclk1='1'then
ifsel="101"then
sel<="000";
else
sel<=sel+1;
endif;
endif;
endprocesschoice;
-----------------------------------------------小时十位
h110:
process（clk,hou2,min1,min2,sec1,sec2,md1,md2）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
if（hou1="0010"andhou2="0011"）and（min1="0101"andmin2="1001"）and（sec1="0101"andsec2="1001"）then
hou1<="0000";
elsifhou1="0010"andhou2="0011"andmd1='0'andmd2="01"then--当时间为23点且处于校时状态时
hou1<="0000";
elsif（hou2="1001"and（min1="0101"andmin2="1001"）and（sec1="0101"andsec2="1001"））or（hou2="1001"andmd1='0'andmd2="01"）then
hou1<=hou1+1;
endif;
endif;
endprocessh110;
-----------------------------------------------小时个位
h220:
process（clk,min1,min2,sec1,sec2,md1,md2,hou1）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
if（hou1="0010"andhou2="0011"）and（min1="0101"andmin2="1001"）and（sec1="0101"andsec2="1001"）then
hou2<="0000";
elsifhou2="1001"and（min1="0101"andmin2="1001"）and（sec1="0101"andsec2="1001"）then
hou2<="0000";
elsif（hou2="1001"andmd1='0'andmd2="01"）or（hou1="0010"andhou2="0011"）then
hou2<="0000";--md<='1';
elsif（（min1="0101"andmin2="1001"）and（sec1="0101"andsec2="1001"））or（md1='0'andmd2="01"）then
hou2<=hou2+1;--speak<=clk;
endif;
endif;
endprocessh220;
-----------------------------------------------分钟十位
m110:
process（clk,min2,sec1,sec2,md1,md2）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
if（min1="0101"andmin2="1001"）and（sec1="0101"andsec2="1001"）then
min1<="0000";
elsifmin1="0101"andmin2="1001"and（md1='0'andmd2="00"）then
min1<="0000";
elsif（min2="1001"and（sec1="0101"andsec2="1001"））or（min2="1001"andmd1='0'andmd2="00"）then
min1<=min1+1;
endif;
endif;--endif;
endprocessm110;
----------------------------------------------分钟个位
m220:
process（clk,sec1,sec2,md1,md2）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifmin2="1001"and（sec1="0101"andsec2="1001"）then
min2<="0000";
elsifmin2="1001"and（md1='0'andmd2="00"）then
min2<="0000";
elseif（sec1="0101"andsec2="1001"）or（md1='0'andmd2="00"）then
min2<=min2+1;
endif;
endif;endif;
endprocessm220;
---------------------------------------------秒十位
s110:
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
if（sec1="0101"andsec2="1001"）then
sec1<="0000";
elseifsec2="1001"then
sec1<=sec1+1;
endif;
endif;endif;
endprocesss110;
--------------------------------------------秒个位
s220:
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifsec2="1001"then
sec2<="0000";
elsesec2<=sec2+1;
endif;
endif;
endprocesss220;
-------------------------------------------时间设置小时部分
sethour1:
process（clk,seth2）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifseth1="0010"andseth2="0011"then
seth1<="0000";
elsifseth2="1001"then
seth1<=seth1+1;
endif;
endif;
endprocesssethour1;
-------------------------------------------
sethour2:
process（clk,md1,md2,seth1）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
if（seth1="0010"andseth2="0011"）orseth2="1001"then
seth2<="0000";
elsifmd1='1'andmd2="00"then
seth2<=seth2+1;
endif;
endif;
endprocesssethour2;
-------------------------------------------时间设置分钟部分
setmin1:
process（clk,setm2）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifsetm1="0101"andsetm2="1001"then
setm1<="0000";
elsifsetm2="1001"then
setm1<=setm1+1;
endif;
endif;
endprocesssetmin1;
----------------------------------------------
setmin2:
process（clk,md1,md2）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifsetm2="1001"then
setm2<="0000";
elsifmd1='1'andmd2="01"then
setm2<=setm2+1;
endif;
endif;
endprocesssetmin2;
--------------------------------------------闹铃
speaker:
process（clk1,hou1,hou2,min1,min2）
begin
ifclk1'eventandclk1='1'then
------------------------------------------------闹钟判断，一分钟响铃
ifseth1=hou1andseth2=hou2andsetm1=min1andsetm2=min2then
speak<=clk;
ledout1<=clk;
elsespeak<='0';
ledout1<='0';
----------------------整点报时，3秒钟响铃
if"0000"=min1and"0000"=min2andsec1="0000"then
ifsec2="0000"orsec2="0001"orsec2="0010"then
speak<='1';
ledout2<=clk;
elsespeak<='0';
ledout2<='0';
endif;
endif;
endif;
endif;
endprocessspeaker;
-------------------------------------------译码显示部分
disp:
process（sel,md1,hou1,hou2,min1,min2,sec1,sec2,seth1,seth2,setm1,setm2）
begin
ifsel="101"then
selout<="101";
caseh1is
when"0000"=>dout<="0111111";
when"0001"=>dout<="0000110";
when"0010"=>dout<="1011011";
whenothers=>dout<="1000000";
endcase;
elsifsel="100"then
selout<="100";
caseh2is
when"0000"=>dout<="0111111";
when"0001"=>dout<="0000110";
when"0010"=>dout<="1011011";
when"0011"=>dout<="1001111";
when"0100"=>dout<="1100110";
when"0101"=>dout<="1101101";
when"0110"=>dout<="1111101";
when"0111"=>dout<="0000111";
when"1000"=>dout<="1111111";
when"1001"=>dout<="1101111";
whenothers=>dout<="1000000";
endcase;
elsifsel="011"then
selout<="011";
casem1is
when"0000"=>dout<="0111111";
when"0001"=>dout<="0000110";
when"0010"=>dout<="1011011";
when"0011"=>dout<="1001111";
when"0100"=>dout<="1100110";
when"0101"=>dout<="1101101";
whenothers=>dout<="1000000";
endcase;
elsifsel="010"then
selout<="010";
casem2is
when"0000"=>dout<="0111111";
when"0001"=>dout<="0000110";
when"0010"=>dout<="1011011";
when"0011"=>dout<="1001111";
when"0100"=>dout<="1100110";
when"0101"=>dout<="1101101";
when"0110"=>dout<="1111101";
when"0111"=>dout<="0000111";
when"1000"=>dout<="1111111";
when"1001"=>dout<="1101111";
whenothers=>dout<="1000000";
endcase;
elsifsel="001"then
selout<="001";
cases1is
when"0000"=>dout<="0111111";
when"0001"=>dout<="0000110";
when"0010"=>dout<="1011011";
when"0011"=>dout<="1001111";
when"0100"=>dout<="1100110";
when"0101"=>dout<="1101101";
whenothers=>dout<="1000000";
endcase;
elsifsel="000"then
selout<="000";
cases2is
when"0000"=>dout<="0111111";
when"0001"=>dout<="0000110";
when"0010"=>dout<="1011011";
when"0011"=>dout<="1001111";
when"0100"=>dout<="1100110";
when"0101"=>dout<="1101101";
when"0110"=>dout<="1111101";
when"0111"=>dout<="0000111";
when"1000"=>dout<="1111111";
when"1001"=>dout<="1101111";
whenothers=>dout<="1000000";
endcase;
endif;
ifmd1='0'then---------------计时时间显示和设置模式
h1<=hou1;h2<=hou2;
m1<=min1;m2<=min2;
s1<=sec1;s2<=sec2;
else-----------闹铃时间现实和设置模式
h1<=seth1;h2<=seth2;
m1<=setm1;m2<=setm2;
s1<="1111";s2<="1111";
endif;
endprocessdisp;
endone;
四、仿真分析
各端口的功能为：
clk，clk1端：
时钟信号输入端。
dout[0..6]：
数码管选择端。
Selout[2..0]：
七段码译码器扫描接口输入端。
md1,md[1..0]：
三个输入端。
ledout1,ledout2：
显示灯。
speak：
蜂鸣器。
图4.1波形仿真图
实验连线：
clk接时钟信号CLK0，
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