EDA数字时钟设计.ppt

1、数字时钟设计及实现,何宾 2011.09,数字时钟设计-本章概要,本章给出了PLD器件在复杂数字系统的典型应用实例- 数字时钟的设计。数字时钟的设计也是PLD在复杂数字系 统的经典应用。 该章首先介绍了数字时钟的功能要求和整体结构；随后 具体介绍了数字时钟的模块设计，其中包括数字时钟控制 信号和控制模块的具体结构。本章最后详细描述了设计的 具体实现过程，具体包括数字时钟的计数模块设计、计数 时钟及扫描时钟设计和显示控制模块设计。,数字时钟设计-数字时钟的功能要求,数字钟时常见的一种计数装置，数字钟以1Hz的频率工 作。该设计完成数字钟的运行和显示。其主要功能有： 1、数字钟以1Hz的频率工作，

2、其输入频率为1MHz。 2、数字钟显示时、分、秒信息。这些显示信息在6个7 段数码管上完成。 3、通过按键设置时、分信息。并且具有对数字钟的复 位功能。 4、复位键将时、分、秒清零，并做好重新计数的准备。 5、按键具有预置时、分的功能。分别对当前的时和分 信息做递增设置和递减设置。,数字时钟设计-数字时钟的结构,数字时钟设计-数字时钟的结构,该数字钟的控制部分由PLD芯片完成。该芯片的输入 和输出接口由下面信号组成： 输入信号： 复位信号（reset） 时钟输入信号（clk） 小时递增信号（inc_hour） 小时递减信号(sub_hour) 分钟递增信号（inc_min） 分钟递减信号（su

3、b_min） 输出信号： 7段数码管选信号（sel） 7段数码管段选信号(q),数字时钟设计-控制模块结构,该设计分成下面四个模块：定时时钟模块、扫描时钟模 块、按键处理模块、定时计数模块和显示控制模块。图 11.2给出了这几个模块之间的信号连接关系。,数字时钟设计-控制模块结构,1、按键处理模块 由于VHDL语言的规则，将按键的处理和定时模块设计 在一起。为了描述清楚，将对按键的处理进行说明。在该 设计中，采用异步复位电路方式。当复位信号低有效时， 计数器停止计数，时、分、秒清零。 对于小时的递增、递减按键操作，通过一个1Hz的计数 时钟采样。图11.3给出了递增、递减的操作时序。,数字时钟

4、设计-控制模块结构,数字时钟设计-控制模块结构,当1Hz的div_clk信号的上升沿到来时，检测hour_inc 和hour_dec按键，图中的虚线表示在时钟的上升沿对 按键信号进行采样。当hour_inc或hour_dec按键低有效 时，对小时进行递加或递减操作。 对于分钟的递加、递减按键操作，也是通过一个 1Hz的计数时钟采样。原理同图11.4。,数字时钟设计-控制模块结构,2、定时时钟模块 定时时钟模块其作用就是将外部提供的1MHz的时钟， 通过分频器后向模块内的定时计数模块提供1Hz的定时计 数时钟。在设计定时时钟模块时，采用同步计数电路。,数字时钟设计-控制模块结构,3、扫描时钟模块

5、 扫描时钟模块的作用就是通过对1MHz的分频处理后， 向显示控制模块提供合适的显示扫描时钟，该时钟必须经 过合理的设计，才能保证7段数码显示的稳定。在设计扫 描时钟模块时，采用同步计数电路。,数字时钟设计-控制模块结构,4、定时计数模块 定时计数模块是该设计中最重要的一部分，在设计该模 块时，为了便于后续显示控制模块的设计，将时、分、秒 进行分离，即小时分成了小时的十位和个位分别处理，分 钟分成了分钟的十位和个位分别处理。秒分成了秒的十位 和个位分别处理。在该设计中，采用24小时计数模式。 例如：13：28：57。13为小时的表示，1为小时的十 位，3为小时的个位；28为分钟的表示，2为分钟的

6、十位， 8为分钟的个位；57为秒的表示，5为秒的十位，7为秒的 个位。,数字时钟设计-控制模块结构,秒的个位计数从0-9，即十进制计数。当秒的个位计 数到9后，准备向秒的十位进位。秒的十位计数从0-5，即 六进制计数。当秒的十位计数到5后，准备向分的个位进 位。 分钟的个位计数从0-9，即十进制计数。当分钟的个位 计数到9后，准备向分钟的十位进位。分钟的十位计数从 0-5，即六进制计数。当分钟的十位计数到5后，准备向小 时的个位进位。,数字时钟设计-控制模块结构,对于小时的处理比较复杂，小时的十位和个位之 间存在下面的关系： 当小时的十位为0或1时，小时的个位可以计数范 围为0-9，即十进制计

7、数； 当小时的十位为2时，小时的各位可以计数的范围 为0-3，即四进制计数；,数字时钟设计-控制模块结构,数字时钟设计-控制模块结构,5、显示控制模块 显示控制模块主要作用是在7段数码管上正确的显示0- 9的数字。sel三位选择线和3-8译码器相连,数字时钟设计-主程序,library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; -实体定义部分 entity clock is port( clk : in std_logic; rst : in

8、 std_logic; inc_min : in std_logic; sub_min : in std_logic; inc_hour : in std_logic; sub_hour : in std_logic; sel : out std_logic_vector(2 downto 0); q : out std_logic_vector(7 downto 0); end clock;,-信号定义： architecture Behavioral of clock is signal sec_counter1:std_logic_vector(3 downto 0); signal s

9、ec_counter2:std_logic_vector(3 downto 0); signal min_counter1:std_logic_vector(3 downto 0); signal min_counter2:std_logic_vector(3 downto 0); signal hour_counter1:std_logic_vector(3 downto 0); signal hour_counter2:std_logic_vector(3 downto 0); signal divcounter : std_logic_vector(3 downto 0); signal

10、 div_clk : std_logic; signal scancounter : std_logic_vector(1 downto 0); signal scan_clk : std_logic; signal scan_out : std_logic_vector(2 downto 0); signal secseg1,secseg2,minseg1,minseg2,hourseg1,hourseg2:std_logic_vector(7 downto 0); begin,数字时钟设计-主程序,-计数时钟，对外部输入时钟分频，此处只适用于仿真，实际进行时间计数时，分频后时钟应该满足1H

11、Z。 process(rst,clk) begin if(rst=0)then divcounter=0000; div_clk=0; elsif(rising_edge(clk)then if(divcounter=1111) then divcounter=0000; div_clk=not div_clk; else divcounter=divcounter+1; end if; end if; end process;,数字时钟设计-主程序,-仿真时数码管扫描时钟，实际中需根据具体情况进行调解时钟频率 process(rst,clk) begin if(rst=0)then scan

12、counter=00; scan_clk=0; elsif(rising_edge(clk)then if(scancounter=11) then scancounter=00; scan_clk=not scan_clk; else scancounter=scancounter+1; end if; end if; end process;,第11章 数字时钟设计-主程序,-时钟计数部分主进程 -时钟复位 clock:process(div_clk,rst) begin if(rst=0)then sec_counter1=X0; sec_counter2=X0; min_counter

13、1=X0; min_counter2=X0; hour_counter1=X0; hour_counter2=X0;,数字时钟设计-主程序,-手动调分，递增 elsif(rising_edge(div_clk)then if(inc_min=0) then if(min_counter1=X9) then min_counter1=X5) then min_counter2=X0; else min_counter2=min_counter2+1; end if; else min_counter1=min_counter1+1; end if;,数字时钟设计-主程序,-手动调分，递减 els

14、if(sub_min=0) then if(min_counter1=X0) then min_counter1=X9; if(min_counter2=X0)then min_counter2=X5; else min_counter2=min_counter2-1; end if; else min_counter1=min_counter1-1; end if;,数字时钟设计-主程序,-手动调时，增时 elsif(inc_hour=0) then if(hour_counter2=X2)then if(hour_counter1=X3)then hour_counter1=X0; hou

15、r_counter2=X0; else hour_counter1=hour_counter1+1; end if; else if(hour_counter1=X9) then hour_counter1=X0; hour_counter2=hour_counter2+1; else hour_counter1=hour_counter1+1; end if; end if;,第11章 数字时钟设计-主程序,-手动调时，减时 elsif(sub_hour=0) then if(hour_counter1=X0)then if(hour_counter2=X0)then hour_counte

16、r1=X3; hour_counter2=X2;else hour_counter2=hour_counter2-1; hour_counter1=X9; end if; else hour_counter1=hour_counter1-1; end if;,数字时钟设计-主程序,-时分秒正常计数 else if(sec_counter1=X9) then sec_counter1=X5) then sec_counter2=X9) then min_counter1=X5) then min_counter2=X0; if(hour_counter2=X2) then if(hour_cou

17、nter1=X3) then hour_counter1=X0; hour_counter2=X0;,第11章 数字时钟设计-主程序,else hour_counter1=hour_counter1+1; end if; else if(hour_counter1=X9) then hour_counter1=X0; hour_counter2=hour_counter2+1; else hour_counter1=hour_counter1+1; end if; end if; else min_counter2=min_counter2+1; end if;,数字时钟设计-主程序,else

18、 min_counter1=min_counter1+1; end if; else sec_counter2=sec_counter2+1; end if; else sec_counter1=sec_counter1+1; end if; end if; end if; end process clock;,数字时钟设计-主程序,-生成扫描时钟 process(rst,scan_clk) begin if (rst=0) then scan_out=000; elsif(rising_edge(scan_clk) then if(scan_out=101)then scan_out=000

19、; else scan_out=scan_out+1; end if; end if; end process;,第11章 数字时钟设计-主程序,-扫描输出进程 process(scan_out) begin case scan_out is when 000 = q q q q q q q=11111111;sel=111; end case; end process;,数字时钟设计-主程序,-秒低位显示 second_counter1:process(sec_counter1) begin case sec_counter1 is when 0000 = secseg1 secseg1 s

20、ecseg1 secseg1 secseg1 secseg1 secseg1 secseg1 secseg1 secseg1 secseg1=11111111; end case; end process second_counter1;,数字时钟设计-主程序,-秒高位显示 second_counter2:process(sec_counter2) begin case sec_counter2 is when 0000 = secseg2 secseg2 secseg2 secseg2 secseg2 secseg2 secseg2=01111111; end case; end process second_counter2;,第11章 数字时钟设计-主程序,-分低位显示 minute_counter1:process(min_counter1) begin case min_counter1 is when 0000 = minseg1 minseg1 minseg1 minseg1 minseg1 minseg1 minseg1 minseg1 minseg1