EDA课设电子时钟设计.doc

哈尔滨工业大学（威海）课程设计实验报告哈尔滨工业大学（威海）课程设计实验报告课 程 EDA 实验题目 电子时钟 学 号 110250208 姓 名 柳立志 指导教师 金涛 2014 年 7 月 5 日 目 录一 所用软件与硬件介绍.1 1.1软件介绍.1 1.2硬件介绍.1二 系统设计.4 2.1设计思想.4 2.2工作原理及系统框图.5 2.3子模块输入输出和功能.5三 软件设计.7 3.1程序流程图.7四 调试及结果.13 4.1模块仿真.13 4.2分析运行结果.18五 设计总结.19 5.1错误分析.19 5.2心得体会.19一、所用软件与硬件介绍 1.1软件介绍 本设计所用的软件主要是Quartus II ，在此对它做一些介绍。Quartus II 是Altera公司 的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持，Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了SOPC和HardCopy设计流程，并且继承了Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。1.2硬件介绍1）.FPGA芯片的介绍 在本次课程设计中选用Altera公司Cyclone II系列FPGA器件。Altera公司2004年推出了新款Cyclone II系列FPGA器件。Cyclone II FPGA的成本比第一代Cyclone器件低30%，逻辑容量大了三倍多，可满足低成本大批量应用需求。随着低复杂度FPGA器件成本的不断下降，具有灵活性和及时面市优势的FPGA与 ASIC相比更有竞争性，在数字消费市场上的应用也急剧增加。第一代Cyclone系列迄今发售了3百多万片，在全球拥有3,000多位客户，对大批量低成本数字消费市场有着巨大的影响，该市场消纳了三分之一的器件。同时，Cyclone II器件系列也在电信、计算机外设、工业和汽车市场上获得了巨大的进步。Cyclone II器件包含了许多新的特性，如嵌入存储器、嵌入乘法器、PLL和低成本的封装，这些都为诸如视频显示、数字电视(DTV)、机顶盒(STB)、DVD播放器、DSL调制解调器、家用网关和中低端路由器等批量应用进行了优化。Cyclone II器件采用TSMC90nm低K绝缘材料工艺技术，这种技术结合Altera低成本的设计方式，使之能够在更低的成本下制造出更大容量的器件。这种新的器件比第一代Cyclone产品具有两倍多的I/O引脚，且对可编程逻辑，存储块和其它特性进行了最优的组合，具有许多新的增强特性低成本的配置器件编辑Altera为配置Cyclone II FPGA提供了低成本的串行配置器件。这些串行配置器件定价为批量应用，成本是相应Cyclone II FPGA的10%。四个串行配置器件(1Mbit，4Mbit，16Mbit和64Mbit)提供了节省空间的8脚和16脚SOIC封装。器件中任何不用于配置的存储器可用于一般存储，进一步增强其价值。IP编辑Altera也为Cylcone II器件客户提供了40多个可定制IP核，Altera和Altera Megafunction伙伴计划(AMPPSM)合作者提供的不同的IP核是专为Cyclone II架构优化的，包括：Nios II嵌入式处理器；DDR SDRAM控制器；FFT/IFFT；PCI编译器；FIR编译器；NCO编译器；POS-PHY编译器；Reed Solomon编译器；Viterbi编译器等等。 图1Altera公司的Cyclone II2）.晶振晶振：是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片），石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。钟表使用石英晶体振荡器。计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体，石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡，这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个计数器（counter）和一个保持寄存器（holdingregister）。石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时，产生一个中断，计数器从保持寄存器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程，令其每秒产生60次中断（或者以任何其它希望的频率产生中断）成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒（clocktick）。下图是一个石英晶体振荡器。 图2石英晶体振荡器3）. 数码管显示器 液晶显示器按其功能可分为三类，笔段式液晶显示器，字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可以显示数字，字符，符号等。而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉子和任意图形，达到图文并茂的鲜果。在本课程设计中，受到试验箱的限制，在这里使用的是基本的数码管显示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。 图3数码管4）. 蜂鸣器常见的器件，蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 本设计中用来作为闹钟的音响信号。 下图是EDA实验箱上的喇叭器件。 图为蜂鸣器二系统设计 2.1 设计思想 2.1.1课题背景 当今电子产品正向功能多元化，体积最小化，功耗最低化的方向发展，它与传统的电子产品在设计上的显著区别是大量使用大规模可编程逻辑器件，使产品的性能提高，体积缩小，功耗降低，同时广泛运用现代计算机技术，提高产品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期，EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。 美国ALTERA公司的可编程逻辑器件采用全新的结构和先进的技术，加上Quartus开发环境，使得其具有高性能，开发周期短等特点，十分方便进行电子产品的开发和设计。 EDA技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机和大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。 本设计是利用Verilog HDL硬件描述语言结合可编程逻辑器件进行的，并通过数码管静态显示走时结果，电子时钟可以由各种技术实现，如单片机等，利用可编程逻辑器件具有其他方式没有的特点，它具有易学、方便、新颖、直观，设计与实验成功率高，理论与实践结合紧密等特点，并且它还具有开放的界面、丰富的设计库、模块化的工具以及LPM定制等优良特性，应用方便，因此，本设计采用可编程逻辑器件实现。2.1.2 设计目的 现在是一个知识爆炸的新时代，新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异，可以毫不夸张地说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变着我们的生活、改变着我们的世界，在这快速发展的年代，时间对我们来说越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失，因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人，数字化的钟表给人们带来了极大的方便。近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对电子时钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求，多功能电子时钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟等等。2.2工作原理及系统框图 工作原理： 电子时钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定，通常使用石英晶体振荡器电路构成电子时钟。 振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为电子时钟的时间基准，然后经过分频器输出标准秒脉冲，秒计数器满60后向分计数器进位，分计数器满60后向小时计数器进位，小时计数器按照“24翻1”规律计数，计数满后各计数器清零，重新计数。计数器的输出分别经译码器送数码管显示。计数出现误差时，可以用校时电路校时、校分。控制信号由矩形键盘输入。时基电路可以由石英晶体振荡电路组成，假设晶振频率1MHZ，经过6次十分频就可以得到秒脉冲信号，译码显示电路由八段译码器完成。系统框图： 2.3子模块输入输出和功能 1）.分频模块 此模块使用的晶体振荡器电路给数字电路提供了一个频率（f）稳定准确的25MHZ的方波，输出至分频电路，经分频后输出1HZ标准秒信号。 功能:晶体振荡器是构成电子时钟的核心，振荡器的稳定性及频率的精度决定了电子时钟计时的准确程度，它保证了时钟的走时准确及稳定。石英晶体的选频特性很好，此振荡电路输出的是准确度极高的信号，再利用分频电路，将其输出信号转变为秒信号。2）.时间计数器模块 此模块的输入为由分频器产生的1HZ标准秒信号，输出为数字时间小时（h）、分钟（m）、秒（s）。 功能：时间计数器模块由60进制计数器和24进制计数器构成。当秒计数器到59后，进位并归零。分计数器得到秒计数器的进位信号后计数加1，当分计数器到59后，进位并归零。时计数器得到分计数器的进位信号后计数加1，当时计数器到23后，进位并归零。3）.日期计数器 此模块的输入为时间计数器的时计数器产生的进位脉冲，输出为日期年（Y）月（M）日（D）。 功能：本日期计数模块具有闰年、闰月、月大、月小判断并计数功能。4）.闹钟模块 此模块的输入为分频器产生的1HZ标准秒信号和时间计数器的对比时间。输出为蜂鸣器的蜂鸣信号（v）。 功能:当闹钟模块定时时间与时间计数器的时间相同时，启动蜂鸣器实现闹钟效果，通过按动确定键可以停止闹钟。5）.按键模块 此模块的输入为键盘上的四个按键，输出为对天、小时、分钟、秒和闹钟报警时间的设置。 功能：通过键盘上的四个按键k5、k6、k7、k8对天、小时、分钟、秒和闹钟报警时间进行设置。其中k8键作为模式切换键，按动一次可以为秒表功能，秒表状态下k5键为开始及停止按键，k7为清零按键；按动两次可以设置时间，此模式下k5为调节按键，k6为载入按键，k7为切换时分秒按键；按动三次可以设置闹钟时间，此模式下，k5为调节（增加）按键，k6为切换键，可选择时分秒分别调整。三软件设计 3.1 程序流程图 3.1.1 24进制流程图 小时采用24进制时，当CLK，EN和nCR为高电平时计数，计数范围为0,23,使能信号，EN等于0时，计时器保持。当高位大于2或高位等于2且低位大于3时，计数器清零，否则继续计数。流程图见下图。3.1.4 60进制计数器分、秒采用60进制计时，当CLK，EN和nCR为高电平时计数，计数范围为0,59，使能信号EN等于0时，计时器保持。当个位等于9时向十位进位；当个位等于9十位等于5，计时器清零，否则继续计时。流程图见下图。3.1.5 数码管 数码管有8段组成，分共阳极和共阴极，本次设计采用共阳极数码管。当输入为低电平时，数码管显示；当输入为高电平时，数码管不显示。用这样的方法输入不同的高低信号控制数码管的显示。3.1.6 分频模块该模块使用1HZ分频器，将输入25MHZ分频到1HZ输出，作为计时模块的标准秒信号脉冲。 3.1.7 计时器模块 作为一个时钟的最基本的功能计时，我们很自然就想到用3个计数器来实现，一个24进制的计数器作为时钟的时，其他两个60进制的计数器分别作为时钟的分和秒；为了达到计时的功能，这个计数器还必须有一个频率为1Hz时钟信号，这样才能让整个时钟跑起来。 数据显示模块主要功能是将合适的数据在合适的时间正确的显示出来，这其中除了单纯的显示模块，还需要一个数据选择器管理整个电路的数据。3.1.8 闹钟模块 时间设定寄存器还可以用计数器搞定，比较器是用来比较时钟时间和闹钟时间，一旦时钟时间和闹钟所设定的时间一样就发出闹铃响信号。四调试及结果 4.1 模块仿真4.1.1电子时钟顶层电路图 4.1.2 24进制计数器仿真 4.1.3 60进制计数器仿真 4.1.4 1HZ分频器4.1.5 4按键输入状态控制器 4.1.6 按键防抖器件 4.1.7 数据锁存器 4.1.8 电路位选择器 4.1.9 数据比较器 4.1.10数码管显示控制器 4.1.11数据选通器 4.2分析运行结果 本次实验在EDA技术实验箱上进行，通过实现FPGA的数字电子时钟的设计与实现的整个流程，文本编辑，功能仿真，逻辑综合，布局布线，编程下载之后，可以在八段数码管上显示时间，秒表以及闹钟时间，闹钟到时可以通过喇叭响铃，通过键盘上的k5、k6、k7、k8按键可以调整时间，实现其他功能等等。通过观察实验箱，我们小组的本次课设完成了计时功能，秒表功能以及闹钟功能，但是时间的校时功能没有完成。五. 设计总结 5.1错误分析 本次课设我们的校时功能没有实现，我们检查了程序，按我们的思路没有发现问题的所在，也可能在仿真和布局布线的过程中出现了错误。由此可见，良好的编程习惯对于编写一段程序的重要性，既方便排查错误，又方便梳理思路，程序设计