EDA数字电子钟课程设计.doc

一 绪论1 在信息产业中EDA产生的影响随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，EDA技术的含量正以惊人的速度上升;电子类的高新技术项目的开发也逾益依赖于EDA技术的应用。即使是普通的电子产品的开发，EDA技术常常使一些原来的技术瓶颈得以轻松突破，从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅提高。不言而喻，EDA技术将迅速成为电子设计领域中的极其重要的组成部分。2 中国国内EDA发展情况从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用文泛、工具多样、软件功能强大。 中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PC主板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员工发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要购入一些最新的EDA技术。 在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。有条件的企业可开展“网络制造”，便于合作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。在ASIC和PLD设计方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方向发展。3 课程设计目的（1）加深对VHDL语言设计的理解。（2）通过对多功能数字时钟的设计加深对EDA课程的理解（3）通过对多功能数字时钟的设计了解简易集成电路的设计思路（4）熟悉MAX+PLUS II仿真软件的工作方法及应用技术4 课题设计内容 本次课程设计的主要目的旨在通过独立完成一个 “电子时钟”的设计，达到对EDA技术的熟练掌握，提升对EDA技术及应用课程所学内容的掌握和应用。在本次课程设计中使用Altera公司的EPF10K10系列的FPGA芯片，基于实验室现有的EDA实验箱，实现“电子时钟”的设计要求。1、计数24小时的时钟 2、六位数码管显示“时分秒” 3、五个功能键(1) Timer 从其它状态放回时钟状态(2) Alarm 切换到闹钟时间的设定(3) Set 按一下，跳到下一个设置区(4) Down 按一下，所设置区的数字减1(5) Up 按一下，所设置区的数字加14、带有闹钟功能；5、键盘的设定值要求在LED上显示。一 设计的总体方案流程图：本多功能数字时钟由三个模块组成：（1）时间显示模式：24小时制显示当前时间：小时用8与7数码管，分钟用5与4位数码管，秒由2与1位数码管表示，小时与分钟之间、分钟与秒之间用3和6位数码管显示“”，总计八位七段数码显示管。此模式下显示当前时间。（2）校时模式：将time键置于0，运用功能键set键对八位数码管进行选择，并由功能键up键进行+1与down键进行-1操作，通过此4个功能键进行校时设置。Set-数码管7- Set-数码管6- Set-数码管5- Set-数码管4- Set-数码管3- Set-数码管2- Set-数码管1Up-+1;down-1;（3）闹钟设定模式：将time键置于1，设定模式与校时时设定一样，运用功能键set键对八位数码管进行选择，并由功能键up键进行+1与down键进行-1操作，通过此4个功能键进行校时设置。Set-数码管7- Set-数码管6- Set-数码管5- Set-数码管4- Set-数码管3- Set-数码管2- Set-数码管1Up-+1;down-1;二 设计的详细原理此多功能数字时钟是由多个模块组成，各个模块实现各自不同的作用，综合起来，便是多功能数字时钟。1、主要模块如下：（1）输入一个250KHZ的方波信号(2)计时模块:将time键置于0，用软件设计，当脉冲累计2500000次时secondl自动+1，以此类推，可得出数字时钟，并用8位7段对各时间进行显示。输入：250KHz脉冲，控制键time等输出：秒、分、小时(3)校时模块:将time键置于0， 运用功能键set键对八位数码管进行选择，并由功能键up键进行+1与down键进行-1操作，通过此4个功能键进行校时设置。输入：time状态转换键，set数码管选定键，up+1键，down-1键输出：设定后的 秒，分，小时 (4)设定闹钟模块： 与校时操作类似，只是先将time键置于1， 再运用功能键set键对八位数码管进行选择，并由功能键up键进行+1与down键进行-1操作，通过此4个功能键进行校时设置输入：time状态转换键，set数码管选定键，up+1键，down-1键输出：所定的闹钟时间 秒，分，小时(5)整点蜂鸣报时运用软件进行设置，当minuteH与minuteL均为零时，蜂鸣器响，也就是没次整点时，蜂鸣器自动响一分钟，如果想设置响的时间，可以手动改即可。并且可以手动按下功能键naozhong，这样就可以手动关闭蜂鸣器。输入：naozhong关闭蜂鸣器键输出：蜂鸣器发出蜂鸣声2、功能概述 输入一个250KHZ的方波信号，运用VHDL语言对其进行编译，用计数器对方波信号进行技术，当 cnt=2500000时，secondl自动+1，不断进行累加，可以达到实现数字钟自动计时功能。并且此多功能数字钟设有5个功能键，（1）time键控制显示状态，可以选择时钟状态与闹钟状态的转换（2）naozhong键可以手动关闭蜂鸣器（3） set键可以选择需要改变的数码管，以便进行调时与设定闹钟（4）up键对对应的数据进行+1操作（5）down键对对应的数据进行-1操作。通过次5个功能键，便可实现多功能数字时钟，拥有计时/校时功能，设定闹钟功能，整点报时功能。四 设计的步骤和过程1 计时模块：if clk_1kevent and clk_1k = 1 then cnt:=cnt+1; ct:=ct+1; if ct=1000 then - 1 秒计时。 ct:=0; secondL:=secondL+1;if secondL=10 then - 10 秒计时。 secondL:=0; secondH:=secondH+1; end if; if secondH=6 then - 1 分钟计时。 secondH:=0; minuteL:=minuteL+1; end if; if minuteL=10 then - 10 分钟计时。 minuteL:=0; minuteH:=minuteH+1; end if;if minuteH=6 then - 1 小计时时。 minuteH:=0; hourL:=hourL+1; end if; if hourL=10 then - 10 小时计时。 hourL:=0; hourH:=hourH+1; end if; if hourH=2 and hourL =4 then - 24 小时计时 hourH:=0; hourL:=0; end if; 次模块的主要作用是完成24小时的即时显示。2校时模块if clkevent and clk = 1 thend=set;k=up;p=downif time=0 thenif ( d=0 and set=1)then stat if(k=0 and up=1)then hourH=hourH+1; elsif( p=0 and down=1)then hourH if( k=0 and up=1)then hourL= hourL+1; elsif( p=0 and down=1)then hourL if(k=0 and up=1)then minuteH= minuteH +1; elsif( p=0 and down=1)then minuteH if( k=0 and up=1)then minuteL= minuteL+1; elsif( p=0 and down=1)then minuteL if(k=0 and up=1)then secondH= secondH +1; elsif(p=0 and down=1)then secondH if( k=0 and up=1)then secondL= secondL +1; elsif( p=0 and down=1)then secondLnull;end case;end if;此模块的主要功能是进行时钟初始时间的设置。3、设定闹钟模块： if clkevent and clk = 1 thend=set;k=up;p=down;if time=1 thenif ( d=0 and set=1)then stat if(k=0 and up=1)then alarm_hourH= alarm_hourH+1; elsif( p=0 and down=1)then alarm_hourH if( k=0 and up=1)then alarm_hourL= alarm_hourL+1; elsif( p=0 and down=1)then alarm_hourL if(k=0 and up=1)then alarm_minuteH= alarm_minuteH +1; elsif( p=0 and down=1)then alarm_minuteH if( k=0 and up=1)then alarm_minuteL= alarm_minuteL+1; elsif( p=0 and down=1)then alarm_minuteL if(k=0 and up=1)then alarm_secondH= alarm_secondH +1; elsif(p=0 and down=1)then alarm_secondH if( k=0 and up=1)then alarm_secondL= alarm_secondL +1; elsif( p=0 and down=1)then alarm_secondLnull;end case;end if;此模块完成闹钟的设定。4、显示模块设计if (time=0) thenahourH=hourH;ahourL=hourL;aminuteH=minuteH;aminuteL=minuteL;asecondH=secondH;asecondL=secondL;elsif(time=1)thenahourH=alarm_hourH;ahourL= alarm_hourL;aminuteH= alarm_minuteH;aminuteL= alarm_minuteL;asecondH= alarm_secondH;asecondL L dled dled dled null; end case; when 1 = L dled dled dled dled dled dled dled dled dled dled null; end case; when 2 = L=010; - Enable the third display. dled L dled dled dled dled dled dled null; end case; when 4 = L dled dled dled dled dled dled dled dled dled dled null; end case; when 5 = L=101; - Enable the sixth display. dled L dled dled dled dled dled dled null; end case; when 7 = L dled dled dled dled dled dled dled dled dled dled null; end case; end case;此模块实现数字钟的显示及闹钟设定时的显示。五、蜂鸣器模块设计 if (hourH = alarm_hourH) and (hourL= alarm_hourL) and (minuteH = alarm_minuteH) and (minuteL = alarm_minuteL) or (minuteH=0)and(minuteL=0) )then sound=1;end if;if (naozhong=1)thensound=0; end if;此模块实现闹钟蜂鸣以及整点蜂鸣报时。四、设计的仿真和运行结果（1）将time键置于0，输入clk信号，可以得到时钟输出波形为：此时时钟自动计时，并且将计时数据传送至显示管显示。如上图asecond=second;（2）将time键置于0，输入clk信号，并将set改为20分频信号，up与down信号交叉为1，得到时钟输出波形为：如图所示此时时间不是正常变化，因为有手动设置进行up（+1）操作和down（-1）操作，并且将时间由数码管显示。（3）将time键置于1，则显示闹钟初始调节状态：此时secondl,secondH,minuteL,minuteH,hourL,hourH不受影响，均自动计时，但是并不由数码管进行显示，此时显示的是闹钟初定时间，这时均为0。由于set变化，stat 顺序发生变化。（4）将time置于1，并可以改变set键进行数码管选择，并用up（+1）操作和down（-1）操作，进行闹钟的初步设定。 此时可以得到时钟的初步设定。（5）外部硬件的链接方法如图（6）时钟显示如下图时钟图如上闹钟初定时间如上图五 课程设计的心得体会EDA的课程设计持续了两周，但我却觉得仿佛还是当日，真是挥指之间，时光已匆匆流逝。在这整整两个星期的日子里，我感受到了既是成功做出一个模块的欢喜，也是修改那无限errors时的忧愁，可以说是无数次的苦尽甘来，换来了最后的成功。本身我就对动手的实验相当有兴趣，这次能够拥有两周的课程设计时间，我甚是欣慰。从第一天开始知道我的多功能时钟课题开始，我就第一时间跑去图书馆借资料，回去反复研究，从看懂程序开始入手。虽然开始有些棘手，但我觉得特别的兴奋，我不把困难当成拦路虎，反而成为我前进的动力，遇到困难不会就翻书，找不到就问同学，再不行就上网搜，实在不行再问老师，总之想尽一切办法找到解决方案。可是事与愿违，我的设计总是出那么一点点的小问题，有时候编译只出现1个error ,但一改就成了20 个errors了，真是让人哭笑不得，望天兴叹呀！经过两三天的基础训练，我终于能够完整的看懂程序。首先我将老师给我们基本的时钟程序进行编译，封锁引脚，然后在硬件上得到正确的数码管显示。通过这个最基本的操作，我将大体流程映入脑海，可以举一反三，再困难的程序也不怕。整点报时自然是最简单的，我首先就加到程序内部，其次我在网上找到了闹钟程序，因为跟要求差距过大，所以我先读懂程序，然后根据自己理解，一步步的加进初始的时钟程序。这个看似很简单的过程，却整整费了4天的时间，期间错误百出。我先是运用了多个process，进行模块化的处理，通过这里面出现的问题我才知道敏感参数列表是不能乱设置的，single是全局变量，而variable只能在一个process中使用等等。后来慢慢理解了其中的原委，发现我的程序竟如此之长，我决定要大量的删减，于是我又把多个process改成了一个，看似好像我是又回到了出发点，但我觉得这绝对是一次质的飞跃，是我能够依照我的想法自由变换程序的映照。当我自认为要成功的时候，我却遇到了一个相当棘手的问题，此时error显示unkown problem internal error:”widthe mismatch in relation opreator”in ebuildbinaryop an line 1347 of file，虽然只有一个问题，但这个问题却无法定位，以至于我找了很久都没找到。那几天我心里很压抑，明明对的程序，为什么就出现这样的问题，让我真的很头疼，差点绝望放弃。直至周二，我决定从新回到起点，再写一次，一个模块一个模块往里加。终于在我不倦的努力下，我找出了错误的语句，并用其他语句替换了它，然后轻松地加入比较简单的校时模块、蜂鸣模块。终于在周四之前将程序顺利的完成，本想再将秒表加进来，但看到程序比较繁琐，就此作罢。看到最后程序的各个模块正确的运行，心情真是无法言语通过这次独立的课程设计，我学到了很多书本上学不到的东西，尤其是在改正错误的时候，我能更加深入的了解VHDL语言的精妙之处。比如同一个process下不能使用不同信号进行event跳变，single与variable之间的差别等等等等。通过这一次一次的亲身体验，我仿佛发生了一次洗礼，经过了一个质的飞跃。现在的我已经基本能看懂VHDL程序，改正其中出现的错误。 希望以后能多多进行这样的实习，让自己的能力越来越高。参考书目：1 阎石 主编，数字电子技术基础，高等教育出版社，19982 谭会生等主编，EDA技术及应用，西安电子科技大学出版社，20013 廖裕评等主编，CPLD数字电路设计使用MAX+plus入门篇，清华大学出版社，20014 冯涛等主编，可编程逻辑器件开发技术：MAX+plus入门与提高，人民邮电出版社，20025 杨崇志，特殊新型电子元件手册，辽宁科学技术出版社，19996 彭介华，电子技术课程设计指导高等教育出版社.2000年出版.7 Mark Zwolinski, Digital System Design with VHDL, 电子工业出版社，20028 Alan B. Marcovitz Introduction to logic Design, 电子工业出版社，2002附录1：总程序如下：library IEEE;use IEEE.std_logic_1164.all;entity timer isport(clk : in std_logic; - System clock input port(250KHz). naozhong:in std_logic; L : out std_logic_vector(2 downto 0); - 8 seven-segment displays selection ports. dled: out std_logic_vector(7 downto 0); - Digits display ports. time:in std_logic; sound: out std_logic; clk_1:in std_logic; clk_2:in std_logic; clk_3:in std_logic);end timer;architecture display of timer is signal cnt: integer range 0 to 7; - 8 seven-segment displays seletion counter. signal ct:integer range 0 to 250000 ; - 1 second generator counter. signal hourH,ahourH,alarm_hourH: integer range 0 to 2; signal minuteH,secondH,aminuteH,asecondH,alarm_minuteH,alarm_secondH: integer range 0 to 6; signal hourL,minuteL,secondL,ahourL,aminuteL,asecondL,alarm_hourL,alarm_minuteL,alarm_secondL: integer range 0 to 10;signal set : integer range 0 to 7;signal d,k,p: std_logic; begin process (clk) begin if clkevent and clk = 1 then sound=1; cnt=cnt+1; ct=ct+1; if ct=250000 then - 1 second ct=0; secondL=secondL+1; end if; if secondL=10 then - 10 seconds secondL=0; secondH=secondH+1; end if; if secondH=6 then - 60 seconds(1 minute) secondH=0; minuteL=minuteL+1; end if; if minuteL=10 then - 10 minutes minuteL=0; minuteH=minuteH+1; end if; if minuteH=6 then - 60 minutes(1 hour) minuteH=0; hourL=hourL+1; end if; if hourL=10 then - 10 hours hourL=0; hourH=hourH+1; end if; if hourH=2 and hourL =4 then - 24 hours hourH=0; hourL=0; end if; if (time=0) thenahourH=hourH;ahourL=hourL;aminuteH=minuteH;aminuteL=minuteL;asecondH=secondH;asecondL=secondL;elsif(time=1)thenahourH=alarm_hourH;ahourL= alarm_hourL;aminuteH= alarm_minuteH;aminuteL= alarm_minuteL;asecondH= alarm_secondH;asecondL L dled dled dled null; end case; when 1 = L dled dled dled dled dled dled dled dled dled dled null; end case; when 2 = L=010; - Enable the third display. dled L dled dled dled dled dled dled null; end case; when 4 = L dled dled dled dled dled dled dled dled dled dled null; end case; when 5 = L=101; - Enable the sixth display. dled L dled dled dled dled dled dled null; end case; when 7 = L dled dled dled dled dled dled dled dled dled dled null; end case; end case;d=clk_1;k=clk_2;p=clk_3;if time=1 thenif ( d=0 and clk_1=1)then set if(k=0 and clk_2=1)then alarm_hourH= alarm_hourH+1; elsif( p=0 and clk_3=1)then alarm_hourH if( k=0 and clk_2=1)then alarm_hourL= alarm_hourL+1; elsif( p=0 and clk_3=1)then alarm_hourL if(k=0 and clk_2=1)then alarm_minuteH= alarm_minuteH +1; elsif( p=0 and clk_3=1)then alarm_minuteH if( k=0 an