VHDL课程设计-10kV新建小区电能计量及远程数据系统工程初步设计.doc

VHDL 课程设计题 目 多功能万年历的数字钟设计 专业名称 学生姓名 指导教师 完成时间 一： 课程设计的任务设计一个多功能的数字时钟,具有以下功能： 1. 正常的显示功能：显示AM、PM、时、分、秒(24进制或者12进制)。2. 手动校时功能：按动方式键，将电路置于校时状态，则计时电路可用手动方式校准，每按一下校时键，时计数器加1；按动方式键，将电路置于校分状态，以同样方式手动校分。按动按键有滴滴声，并且数码管显示的数字会闪动。3. 万年历功能：显示年、月、日、星期、是否闰年。4. 手动校正日历功能。按动方式键，将电路置于校年状态，则计时电路可用手动方式校准，每按一下校年键，时计数器加1；按动方式键，将电路置于校月状态，以同样方式手动校月。按动按键有滴滴声，并且数码管显示的数字会闪动。5. 闹钟功能：按动方式键进入闹钟设定模块，设定闹钟时间。闹铃信号到达播放音乐两只蝴蝶，按动停止键则立即停止播放音乐，若不按动停止键则自动播放音乐1分钟后停止。6. 整点播报功能，从59分50秒开始发出播报，每隔2秒发出一声(信号名叫持续时间1秒，间隙1秒)连续发出5次，到达整点时停止播报。7. 秒表功能：按动开始键开始计时，按动停止键数字保持不变，按动复位键从新计时二：系统设计根据以上对于多功能数字钟的功能的描述，可以将整个的电路设计分为以下几个模块：1. 分频模块：由于实验电路板上所能提供的只有1Khz和6Mhz的信号，而本设计过程的即时以及跑表模块需要1hz、100hz和4hz的时钟信号。2. 控制模块：为达到多动能数字钟在计时、校时、显示日历、跑表等不同的模块之间切换，需要控制模块产生时序要不相冲突的控制信号，保证各个模块的功能有序的执行。3. 计时模块：在输入的1hz时钟信号，产生显示的AM、PM、时、分、秒信号，由于要涉及到后面的校时模块，这里采用带有置数的计时模块，在load信号控制下将校时模块设定的时间转载至初始值，在初始值的基础上正常计时。4. 校时模块：当功能切换至校时模块时，本程序采用在外部按键的上升沿即：每按动一次校时键对应显示相应加1。5. 万年历模块：在计时模块的进位输出信号（每次跳动代表一年），产生显示的年、月、日、星期、是否闰年信号，同样类似于计时模块考虑到后面的校正日历模块，这里同样采用带有置数的计时模块，在load信号控制下将校正日历模块设定的日历转载至初始值，在初始值的基础上正常计时。6. 校正日历模块：切换至该模块时，采用外部按键的上升沿：每按动一次校正键对应的显示相应的加1。7. 闹钟模块：这里采用和校时模块同样的电路设定闹钟的时间，一旦触发信号为高电平，触发音乐播放模块，播放歌曲两只蝴蝶，不按停止键播放一分钟自动停止。8. 跑表模块：采用显示毫秒、秒、分的显示格式，并设有stop按钮和reset按钮。9. 显示模块：采用从控制模块中出来的mode 信号为变量，跟随该信号的变化，选着不同的模块的输出信号，通过两个译码器输出数据连接到数码管显示。以上简单的介绍了构成电路的几大模块，下面给出本设计电路的总的模块化示意图： 图 一 系统总模块化示意图三：模块实现根据以上的介绍可知闹钟的设计的组成模块：分频模块、控制模块、计时模块、校时模块、万年历模块、校正日历模块、闹钟模块（包块音乐模块）、跑表模块、显示模块。以下将就着上面的模块电路的各个模块加以详细的说明。对以上模块的实现进行具体的VHDL的设计。注：（在前面定义的子模块，后面不再定义而是直接的例化使用） 一：分频模块由于开发板系统提供的时钟只有1Khz和6Mhz（专用于音乐模块），而本实验的计时模块、音乐模块、跑表模块等需要1hz、100hz的时钟信号，故需要加以分频实现所需信号。分频电路的模块化示意图如下： 图 二 分频电路模块图下面给出分频模块的RTL级的描述：1）10分频模块：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity fenpin10 isport (clk_in:in std_logic;- - 输入时钟信号 clk_out:buffer std_logic);- -输出时钟信号end fenpin10;architecture rtl of fenpin10 issignal cnt:std_logic_vector(3 downto 0);- -定义计数器模值beginprocess (clk_in)beginif (clk_inevent and clk_in=1) then if (cnt=0100) then clk_out=not clk_out; cnt=0000; else cntclk_1khz,- - 时钟输入 clk_out=clk_100hz);- - 时钟输出u1: fenpin10port map (clk_in=clk_100hz, - - 时钟输入 clk_out=clk_10hz); - - 时钟输出u2: fenpin10port map (clk_in=clk_10hz, - - 时钟输入 clk_out=clk_1hz); - - 时钟输出end rtl;3）分频模块的仿真图 图 三 分频模块仿真图仿真图分析：输入信号为1Khz经过分频成功产生100hz和1hz时钟信号二：计时模块本计时完成时间输出功能，根据秒、分、时（24进制）计时原理故需要设计到60、24进制的BCD计数器，并在此基础上构成RTL级的计时描述，模块图如下所示： 图四 计时电路模块图下面给出计时模块的RTL级的描述：由于考虑到后面的跑表和校时模块的预置数，这里的模60、24BCD计数器均设计成带有预置数端口，和暂停计数功能。同时考虑到现实AM、PM，以及整点报时以及对于报时声音时宽的要求，加入实现上述功能的子模块。1）模60BCD计数器 循环的进行0-59计数，产生秒、分信号输出library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt60 isport (clk_in,reset,load,stop,en:in std_logic;-输入的时钟、清0、置数、暂停、使能信号 l_in,h_in:in std_logic_vector(3 downto 0);-预置数，高4位和低4位 enout:out std_logic;-输出地进位信号 h,l:out std_logic_vector(3 downto 0);-输出信号的高4位和低4位end cnt60;architecture rtl of cnt60 issignal h_temp,l_temp:std_logic_vector(3 downto 0)beginprocess (clk_in,en) -个位计数进程（0-9）循环计数beginif (reset=1) then-清0l_temp=0000;elsif (load=1) then-下载预置数l_temp=l_in;elsif (clk_inevent and clk_in=0) then-正常计数 if(en=1)and(stop=0) then if (l_temp=1001) then l_temp=0000; else l_temp=l_temp+1; end if; end if;end if;end process low_proc;l=l_temp;process (clk_in,en)-十位计数进程（05）循环计数beginif (reset=1) then-清0h_temp=0000;elsif (load=1) then-下载预置数h_temp=h_in;elsif (clk_inevent and clk_in=0) then-正常计数 if(en=1)and(stop=0) then if (l_temp=1001) then if (h_temp=0101) then h_temp=0000; else h_temp=h_temp+1; end if; end if; end if;end if;end process high_proc;h=h_temp;enout=1 when l_temp=1001 and h_temp=0101 else-计满60产生进位输出 0;end rtl;2）模24BCD计数器 循环进行0-23计数 产生时输出信号library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt24 isport ( clk_in,reset,load,stop,en:in std_logic; -输入的时钟、清0、置数、暂停、使能信号 h_in,l_in:in std_logic_vector(3 downto 0);-输入的预置数 enout:out std_logic;-输出进位信号 h,l:out std_logic_vector(3 downto 0);-输出信号的高4位和低4位end cnt24;architecture rtl of cnt24 issignal l_temp:std_logic_vector(3 downto 0);signal h_temp:std_logic_vector(3 downto 0);signal clr:std_logic:=0;-计满模24产生的清0信号beginprocess (clk_in,en,clr)-个位的计数进程（09）循环计数beginif (reset=1) then-清0信号l_temp=0000;elsif (load=1) then-下载预置数l_temp=l_in;elsif (clk_inevent and clk_in=0) then-正常计数 if (en=1)and(stop=0) then if (l_temp=1001) or (clr=1) then l_temp=0000; else l_temp=l_temp+1; end if; end if;end if;end process low_proc;l=l_temp;process (clk_in,en,clr)-十位计数进程（02）循环计数beginif (reset=1) thenh_temp=0000;elsif (load=1) thenh_temp=h_in;elsif (clk_inevent and clk_in=0) then if (en=1)and(stop=0) then if (clr=1) then h_temp=0000; elsif (l_temp=1001) then h_temp=h_temp+1; end if; end if;end if;end process high_proc;h=h_temp;clr=1 when l_temp=0011 and h_temp=0010 else-计满模24产生清0信号 0;enout=clr;-计满24产生进位信号end rtl;3）整点模块 时刻为59分50秒开始报时，知道00分00秒停止library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity zd isport (clk_in,en:in std_logic;-输入时钟，使能信号 cmh,cml,csh,csl:in std_logic_vector(3 downto 0);-输入的分、秒 voiceon:out std_logic);-声音信号输出end zd;architecture rtl of zd issignal key:std_logic:=0;signal temp:std_logic_vector(3 downto 0);beginprocess (clk_in)-判断时间是否为59分50秒beginif (clk_inevent and clk_in=1) then if (csl=0000)and(csh=0101)and(cml=1001)and(cmh=0101)and(en=1) then voiceon=1; temp=0000; key=1; end if; if (temp=csl)and(key=1) then-声音持续十秒停止 voiceon=0; key=0; end if;end if;end process;end rtl;4）二分频电路因为整点报时10秒，为达到报时信号周期2s，每周期响铃1s，故需通过二分频电路library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity fenpin2 isport (clk_1hz,en:in std_logic;-输入时钟信号、使能信号（整点报时信号） clk_out:buffer std_logic);-输出周期2s，闹铃1s闹钟信号end fenpin2;architecture rtl of fenpin2 isbeginprocess (clk_1hz)-模2计数beginif (en=1) then if (clk_1hzevent and clk_1hz=1) then clk_out=not clk_out; end if;end if;end process ;end rtl;5）AM、PM电路 当时信号的十进制值为011显示AM，1223显示PMlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity duan isport (hh,hl:in std_logic_vector(3 downto 0);-输入的时信号的高4位和低4位 b:out std_logic_vector(3 downto 0);-输出的AM或PM信号end duan;architecture rtl of duan issignal temp1:std_logic_vector(7 downto 0);signal temp2:integer range 0 to 35;signal a_on:std_logic;signal b_on:std_logic;signal ab_on:std_logic_vector(1 downto 0):=00;begintemp1=hh&hl;-将高4位和低4位连接temp2=0)and(temp218) then-十进制值在（011）显示AM a_on=1; b_on=18)and(temp2=35) then-十进制值在（12-23）显示PM a_on=0; b_on=1;end if;end process ;ab_onbbbclk_in,reset=reset,load=load,stop=stop,en=en, l_in=sl_in,h_in=sh_in, enout=enout_temp1, l=sl,h=sh);u1: cnt60-下载预置分信号，并产生分时间信号port map (clk_in=enout_temp1,reset=reset,load=load,stop=stop,en=en, l_in=ml_in,h_in=mh_in, enout=enout_temp2, l=ml,h=mh);u2: cnt24-下载预置时信号，并产生时信号port map (clk_in=enout_temp2,reset=reset,en=en,load=load,stop=stop, l_in=hl_in,h_in=hh_in, enout=enout_temp, l=hl,h=hh);enouthl,hh=hh, b=b);u4: zd-根据产生的秒、分信号，在59分50秒开始报时，并持续10秒port map (clk_in=clk_in,en=en,csl=sl,csh=sh,cml=ml,cmh=mh, voiceon=voiceon_temp);u5: fenpin2-根据产生的报时信号，产生周期2s，报时信号1s的声音信号port map (en=voiceon_temp,clk_in=clk_in,clk_out=voiceon);end rtl;7）计时模块的仿真图： 图五 计时模块仿真图仿真图分析：图中reset、stop均处于失效，en有效，在load信号有效下，将预置数22时58分58秒预置给计时模块（相当于调时间），然后load信号失效，进行正常的计数，分、秒进行60进制，时进行24进制计数，当时间为59分50秒时进行整点报时，持续10秒，并按照要求分频产生周期为2s，闹铃时间为1s的声音信号。图中b代表AM、PM显示，图中时间显示应为PM，完全正确。三：校时模块本模块的功能是在外部按键的操作下，实现对计时器的设定初始的时、分、秒预置值，并在load信号的作用下，下载到计时器模块，由于这里涉及的任然是计数过程，过直接采用即时模块中的模60、24进制BCD计数器，AM、PM显示电路，整点报时电路。同时由于在校时过程中要求实时显示，并且呈现闪动的状态，这里采用沿触发的D触发器，将输出信号加以刷新，达到功能要求。下图为校时模块的模块图： 图 六 校时电路模块图下面给出给出校时电路的RTL级描述，由于模60、24计数器等电路在上述计时模块已经详细设计过了，这里不再加以详细介绍，只介绍D触发器1）D 触发器模块：在时钟沿跳变起到刷新输出值，同时设定输入之中为4hz，能达到闪动的目的。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity df isport (clk_in,en:in std_logic;-输入时钟，使能信号 d_in:in std_logic_vector(3 downto 0);-输入的时、分、秒预置值 d_out:out std_logic_vector(3 downto 0);-输出至显示模块的时、分、秒预置值end df;architecture rtl of df isbeginprocess (clk_in,en)beginif (clk_inevent and clk_in=1) then-时钟上升沿触发 if (en=1) then d_outsclock,reset=reset,load=0,stop=0,en=en, l_in=0000,h_in=0000, enout=enout_temp1, l=sl_temp,h=sh_temp);u1: cnt60-产生预置分信号port map (clk_in=mclock,reset=reset,load=0,stop=0,en=en, l_in=0000,h_in=0000, enout=enout_temp2, l=ml_temp,h=mh_temp);u2: cnt24-产生预置时信号port map (clk_in=hclock,reset=reset,en=en,load=0,stop=0, l_in=0000,h_in=0000, enout=enout_temp3,l=hl_temp,h=hh_temp);voiceonclk_in,d_in=sl_temp,en=en,d_out=sl);-刷新以及闪动显示功能u4: df port map (clk_in=clk_in,d_in=sh_temp,en=en,d_out=sh);-同上u5: df port map (clk_in=clk_in,d_in=ml_temp,en=en,d_out=ml); -同上u6: df port map (clk_in=clk_in,d_in=mh_temp,en=en,d_out=mh); -同上u7: df port map (clk_in=clk_in,d_in=hl_temp,en=en,d_out=hl); -同上u8: df port map (clk_in=clk_in,d_in=hh_temp,en=en,d_out=hh); -同上u9: duan port map(hl=hl_temp,hh=hh_temp,b=b);-产生AM、PM显示end rtl;3）校时模块的仿真图：图七 校时模块仿真图仿真结果分析：从以上仿真图可以明显的看出sclock、mclock、hclock 的每一次按动都会给相应的模块预置值加1，而且按键的同时伴有按键声音，sclock按动6次，mclock按动11次，hclock按动一次，最终显示的时间为01时11分06秒，显示为AM，同预期结果完全吻合。四：万年历模块本模块实现万年历功能，根据用户设定的初始的年、月、日，以后随着计时模块的计时，正常的显示年、月、日、星期、是否闰年。由于需要显示年、月、日、星期、闰年，故本模块需要有判断是否闰年电路，闰年以及非闰年对应的月天数的译码电路，12进制BCD计数器（用来月循环计数），100进制BCD计数（用来年循环计数），故先画出万年历的模块图如下，然后逐模块设计实现。由于同样涉及到后面的校正万年历模块，所以这里的计数器都采用的是带有置数端的计数器，在load信号的作用下，将校正日历模块（后面介绍）设定的年、月、日下载到万年历模块中，万年历模块在设定数据的基础上继续计时。下图为万年历电路的模块图： 图 八 万年历电路模块图1）闰年模块: 根据输入的年信号，确定改年是否为闰年， library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity run isport (reset,en,load,stop:in std_logic;-输入的重置、使能、暂停信号 yhh_in,yhl_in,ylh_in,yll_in:in std_logic_vector(3 downto 0);-预置的年信号 yhh,yhl,ylh,yll:in std_logic_vector(3 downto 0);-正常计时输出年信号 leap:out std_logic_vector(3 downto 0);-闰年是否信号end run;architecture rtl of run issignal yhh_temp,yhl_temp,ylh_temp,yll_temp:std_logic_vector(3 downto 0):=0000;signal temp:integer range 0 to 10000;beginprocess (load)beginif (reset=1) then-清0yll_temp=0000;ylh_temp=0000;yhl_temp=0000;yhh_temp=0000;elsif (load=1) then-下载预置数yll_temp=yll_in;ylh_temp=ylh_in;yhl_temp=yhl_in;yhh_temp=yhh_in;elsif (en=1)and(stop=0) then-判断正常计时年信号是否为闰年yll_temp=yll;ylh_temp=ylh;yhl_temp=yhl;yhh_temp=yhh;end if;end process ;process (temp)begintemp=conv_integer(yhh_temp)*1000+conv_integer(yhl_temp)*100+conv_integer(ylh_temp)*10+conv_integer(yll_temp);-判断能被4整除，能被400整除，但是不能被100整除 if (temp mod 4)=0) then if (temp mod 100)=0) then if (temp mod 400)=0) then leap=0001; else leap=0000; end if; else leap=0001; end if;else leap=0000; end if; end process ;end rtl; 2）月天数译码模块：根据输入的月数以及改年是否为闰年为条件计算出该月的天数library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity number isport (reset,en,load,stop,:in std_logic;-输入的重置、使能、置数、暂停信号 monh,monl,monh_in,monl_in,leap:in std_logic_vector(3 downto 0);-预置以及输出月数 dayh,dayl:out std_logic_vector(3 downto 0);-输出的对应月的天数end number;architecture rtl of number issignal temp:std_logic_vector(7 downto 0):=XXXXXXXX;beginprocess (load,reset,en,stop)beginif (reset=1) then temp=00000001;-清0elsif (load=1) then temp=monh_in&monl_in;-下载预置数elsif (en=1)and(stop=0) then tempdayl=0001;dayhdayl=1001;dayhdayl=0001;dayhdayl=0000;dayhdayl=0001;dayhdayl=0000;dayhdayl=0001;dayhdayl=0001;dayhdayl=