基于eda的數(shù)字鐘程序設(shè)計(jì).doc

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一、課題要求： （1）技術(shù)要求：1、掌握多功能數(shù)字鐘的工作原理。 2、應(yīng)用EDA技術(shù)，VHDL語言編寫程序。 3、層次化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原理框圖。 4,、硬件設(shè)計(jì)及排版。 （2）功能要求：1、基本功能：能進(jìn)行正常的時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能，分別由6個(gè)數(shù)碼管顯示24小時(shí)、60分鐘、60秒的計(jì)數(shù)器顯示。 2、 擴(kuò)展功能：（1）能夠利用按鍵實(shí)現(xiàn)“校時(shí)”“校分” “清零”功能。 （2） 能利用揚(yáng)聲器做整點(diǎn)報(bào)時(shí)，整點(diǎn)前 五秒短聲，整點(diǎn)長(zhǎng)聲。 （3）本人工作：負(fù)責(zé)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(shè)計(jì)方案： 原理框圖: 數(shù)字鐘原理框圖 一共有11個(gè)小模塊：分頻，片選，按鍵，小時(shí)，分，秒，顯示模塊，七段顯示譯碼器，報(bào) 時(shí)，揚(yáng)聲，36譯碼器。 左邊第一個(gè)是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，50Mhz到分頻模塊。第二個(gè)為清零按鍵，第三個(gè)為校分按 鍵，第四個(gè)為校時(shí)按鍵。 右邊第一個(gè)為七段顯示譯碼器輸出端，第二個(gè)為揚(yáng)聲器輸出端，第三個(gè)為6個(gè)數(shù)碼管輸出 端。 中間模塊為數(shù)字鐘的核心，有計(jì)時(shí)，報(bào)時(shí)，校時(shí)功能。 三、單元模塊設(shè)計(jì) 1、分頻模塊 該模塊是將時(shí)鐘脈沖50Mhz分頻到1000、500和1，分別給報(bào)時(shí)模塊和及時(shí)模塊。 2、秒模塊 仿真圖 該模塊為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，有分頻模塊得到的1hz進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)輸出為秒的數(shù)值，在計(jì)時(shí)到59時(shí)進(jìn)位1到co端。當(dāng)按下s3時(shí)，秒清零。 3.、分模塊 仿真圖 該模塊也為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)時(shí)輸出為分的數(shù)值。在EN信號(hào)有效且時(shí)鐘來時(shí)，計(jì)數(shù)器加1、在s2按下時(shí)，EN使能端有效，實(shí)現(xiàn)校分功能。 4、時(shí)模塊 仿真圖 該模塊為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)時(shí)輸出為小時(shí)的數(shù)值，在EN信號(hào)到來時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，在S1按下時(shí)，EN信號(hào)有效，實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。 5、片選模塊 仿真圖 該模塊提供數(shù)碼管片選信號(hào)。 6、按鍵模塊 仿真圖 該模塊是有幾個(gè)門電路組成，把它編寫成一個(gè)模塊，到時(shí)寫程序方便。該模塊連接幾個(gè)按鍵，由按鍵控制。 7、報(bào)時(shí)模塊 仿真圖 該模塊為整點(diǎn)報(bào)時(shí)提供控制信號(hào)，當(dāng)59分時(shí)，秒為50，52，54，56，58時(shí)，Q500輸出“1”；秒為00時(shí)，Q1000輸出“1”。這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過邏輯門實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)功能。 8、BBB模塊 仿真圖 該模塊對(duì)應(yīng)不同的片選信號(hào)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(duì)應(yīng)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(gè)引腳，可以正確的點(diǎn)亮每一個(gè)數(shù)碼管。 11、揚(yáng)聲模塊 仿真圖 該模塊也為幾個(gè)門電路組合，控制著對(duì)揚(yáng)聲器的輸入，當(dāng)時(shí)間到達(dá)某一點(diǎn)時(shí)，輸出不同的脈沖信號(hào)到揚(yáng)聲器，給予揚(yáng)聲器信號(hào)。 四、頂層模塊設(shè)計(jì) 程序圖： 總體框圖 頂層文件將上面11個(gè)小模塊集合到一起構(gòu)成了總的程序，最終也是將這個(gè)頂層文件寫到FPGA芯片中。 五、硬件電路設(shè)計(jì) 由另一位同學(xué)負(fù)責(zé)，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(gè)輸入與輸出端口鎖定引腳。 鎖定好引腳后將整個(gè)頂層文件下載到FPGA芯片中。 注：在下載時(shí)，要注意先安裝USB程序，再設(shè)置IDE環(huán)境設(shè)置，然后再programmer中選擇自己要的文件，下載時(shí)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(jìn)行測(cè)試。 七、調(diào)試結(jié)果 為了每個(gè)模塊的正確性，將一一對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試。將芯片與硬件連接好，檢查無誤后，打開電源，此時(shí)硬件上的數(shù)碼管開始計(jì)時(shí)，等到秒為59時(shí)，下一秒，分為1，秒為00。然后用校時(shí)功能按鍵將分校分到59分，此時(shí)當(dāng)秒為50時(shí)，揚(yáng)聲器開始響，并且到整點(diǎn)時(shí)，揚(yáng)聲器持續(xù)響一段時(shí)間。按下S3，秒清零。調(diào)試結(jié)束，基本功能能夠計(jì)時(shí)，并且進(jìn)位到分和時(shí)，擴(kuò)展功能，按下S2和S3后能夠進(jìn)行分和時(shí)的校時(shí)，并且到整點(diǎn)時(shí)開始報(bào)時(shí)。 八、設(shè)計(jì)中遇到的問題及解決方案 我負(fù)責(zé)軟件部分，開始在編寫程序時(shí)根本無從下手，再找了一些資料后終于對(duì)數(shù)字鐘有些了解。用EDA設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，都需要一個(gè)一個(gè)的去仿真，看程序?qū)Σ粚?duì)，經(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(gè)模塊，按鍵模塊和揚(yáng)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(yàn)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(gè)輸入，有6個(gè)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(dāng)數(shù)字鐘的時(shí)分秒順序錯(cuò)了以后，不需要重新鎖定引腳，只要將對(duì)應(yīng)的杜邦線對(duì)調(diào)一下就行了。我們校時(shí)用的按鍵是自鎖開關(guān)，其實(shí)只要改成下拉電阻就可以了。 九、收獲與體會(huì) 經(jīng)過兩個(gè)星期的數(shù)電課程設(shè)計(jì)，收獲很大，讓我們自己設(shè)計(jì)了數(shù)電模型，從軟件和硬件上學(xué)到了很多知識(shí)。兩個(gè)同學(xué)一個(gè)設(shè)計(jì)軟件，一個(gè)設(shè)計(jì)硬件，不僅提高了學(xué)習(xí)能力，還培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作能力。我負(fù)責(zé)的是軟件部分，這學(xué)期正好學(xué)習(xí)了EDA技術(shù)，把它應(yīng)用到了軟件的程序編寫中來。我們?cè)O(shè)計(jì)的是數(shù)字鐘，雖然數(shù)字鐘看起來很簡(jiǎn)單，但是要把每個(gè)模塊全部搞在一起還是有點(diǎn)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(shí)還要把軟件與硬件結(jié)合起來，在各自做各自的工作時(shí)還要緊密結(jié)合自己組員的工作，只有兩個(gè)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(jìn)行正常的時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能，分別由6個(gè)數(shù)碼管顯示24小時(shí)、60分鐘、60秒的計(jì)數(shù)器顯示。擴(kuò)展功能：（1）能夠利用按鍵實(shí)現(xiàn)“校時(shí)”“校分”“清零”功能。（2） 能利用揚(yáng)聲器做整點(diǎn)報(bào)時(shí)，整點(diǎn)前五秒短聲，整點(diǎn)長(zhǎng)聲。然后設(shè)計(jì)好總的原理圖，將功能全部覆蓋進(jìn)去，設(shè)計(jì)每個(gè)模塊，用EDA中的VHDL編寫程序，然后再仿真，根據(jù)仿真圖檢測(cè)自己的程序是否正確。當(dāng)每個(gè)模塊在電腦中仿真無誤時(shí)，編寫頂層文件，把各個(gè)小模塊連接到一起，然后將整個(gè)程序畫出原理框圖，與自己預(yù)測(cè)的相比較。 當(dāng)軟件做好后，用下載線將自己寫的程序?qū)戇M(jìn)芯片中，不過此時(shí)要注意先連接好線才能開電源，當(dāng)下載后，要先關(guān)電源，再拔USB接口。下載后與同組同學(xué)用杜邦線連接開始測(cè)試，第一次先將整個(gè)程序?qū)懭?，發(fā)現(xiàn)沒有正確顯示，然后一個(gè)一個(gè)模塊檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)了問題，終于數(shù)字鐘做好了，基本功能與擴(kuò)展功能都出來了。 這次課程設(shè)計(jì)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(xì)心教導(dǎo)，讓我學(xué)習(xí)到了好多知識(shí)，從硬件到軟件，不僅僅是知識(shí)上，還有能力上，還要感謝同組同學(xué)，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(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在以后的課程設(shè)計(jì)中能夠更好的發(fā)揮！ 十、參考文獻(xiàn)： 1、《EDA技術(shù)與VHDL》 清華大學(xué)出版社 2、《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL(第三版)》 王金明編著 3、《EDA技術(shù)與應(yīng)用（第2版）》 江國(guó)強(qiáng)編著 4、《EDA技術(shù)實(shí)用教程》 科學(xué)出版社