基于FPGA的数字时钟设计

定时闹钟

（已在DE2板上测试）

分析与设计

分析

题目要求设计一个具有系统时间设置和带闹钟功能的24小时计时器中的应用，大致应该实现计时功能、设置并显示新的闹钟时间、设置新的计时器时间、闹钟功能这四个基础功能。

我们的思路是先设计一个基础计时器开始，再添加各种需要的功能。即为下图所示：

而设计一个基础计时器，则可以考虑用很基础的三个模块完成：分频模块、计时模块、显示模块。计时模块也是核心的一个部分，我们所需要添加的各种功能模块也可以完全融合在该模块中，当然也可以出来。

由题目要求，该系统需要一个系统50MHz时钟，当然也应该给定一个系统复位（或者是模块复位，这里选用仅在时钟模块复位）。另外需要3个按键，分别是设置按键“set”、设置系统时间按键“tim”、设置闹钟时间按键“alarm”，以及四组时间输入。我们将四个数码管显示分为shi1、shi0、fen1、fen0，每一个由4位拨动开关控制设定时间，因为每一个最大值最多为“9”（1001），所以用4位足够。因为要驱动7位数码管，所以输出量的位宽设为7位[6:0]。

最终选定由三个部分组成所有功能。下图为系统的整个内部关联：

设计

分频模块

功能：将系统时钟50MHz分频为低频秒计数时钟（1Hz）和显示刷新时钟（1KHz）。

端口定义： input  clk;

output  clk1hz , clk1khz ;

 代码：

 module fp1hz(clk,clk1hz,clk1khz);

    、1KHz

    分频1Hz

    分频1KHz

endmodule

时钟处理模块

功能：在秒时钟下计数，实现基本计时器功能，并且添加设置系统时间和闹钟时间以及闹铃功能（用LED取代）。

端口定义： input  clk1hz , rst , set , tim , alarm ;

   input[3:0]  shi1_in , shi0_in , fen1_in , fen0_in ;

   output[3:0]  shi1_r , shi0_r , fen1_r , fen0_r ;

   output  led ;

代码：

module shizhong(clk1hz,rst,set,tim,alarm,shi1_in,shi0_in,fen1_in,fen0_in,shi1_r,shi0_r,fen1_r,fen0_r,led);

      设置标志位

   闹钟时间暂存单元

   复位清零

    设置键按下

    标志位置位

    时间设置键按下，将要输入的时间赋给时、分、秒

     闹钟设置键按下，将要输入的时间赋给闹钟时间暂存单元

       其他情况则每个CLK1HZ到来，时、分、秒计数

   将时、分转换成4位数码管格式

     设置标志位有效时，时、分、秒停止计数

  闹钟时间到，LED亮

endmodule

显示模块

功能：显示当前时间。

端口定义： input  clk1khz ;

   input[3:0]  shi1_r , shi0_r , fen1_r , fen0_r ;

   output[6:0]  shi1 , shi0 , fen1 , fen0 ;

代码：

module disp(clk1khz,shi1_r,shi0_r,fen1_r,fen0_r,shi1,shi0,fen1,fen0);

   时的十位译码

   时的个位译码

   分的十位译码

   分的个位译码

endmodule

测试与仿真

由于ModelSim仿真中出现一些未知问题，这里采用Quartus自带的仿真工具进行简单仿真。

分频（fp1hz）

由于分频1Hz时间太久，所以不做仿真。从功能仿真图可以看到设定的clk周期为10ns，输出的clk1khz周期为500us，分频次数50,000（50M÷1K）次，满足设计要求。

时钟（shizhong）

在没有复位的时候，按下一次“set”键，这时时间保持不变，在“tim”键按下后，将时间信息“shi1_in、shi0_in、fen1_in、fen0_in”输出到“shi1_r、shi0_r、fen1_r、fen0_r”。在后续，设置的闹钟时间与系统时间相同时，LED被拉高（后续部分未截图）。

显示（disp）

通过输出“shi1、shi0、fen1、fen0”的7位二进制编码，折换成数码管显示的数字，可以发现与输入的“shi1_r、shi0_r、fen1_r、fen0_r”完全对应，说明仿真正确。

问题与改进

从题目要求上来看，有些功能还没完全做到，其中包括：

1.在正常计时显示状态下，用户直接按下“alarm”键，则已设置的闹钟时间显示在显示屏上。

2.在输入过程中；输入的数字在显示屏上从右到左依次显示。

3.较长时间内，例如5秒，没有按任何键，则计时器恢复到正常的计时显示状态。

以上都是目前完成的闹钟系统中缺失的，不过该系统基本功能已经完成。

另外，在全编译过程中，虽然没有错误，但是警告数量最多高达50多处，可见代码以及整体框架上还有很多需要改进的地方。后面需要做的就是将缺失的功能添加进去并且优化代码。

附：

复位时

设置时间后

闹钟时间到