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基于FPGA 設計數(shù)字日歷可以實現(xiàn)以軟件方式設計硬件的目的，無需購買專用數(shù)字芯片，從而克服了傳統(tǒng)利用多片數(shù)字集成電路設計數(shù)字日歷存在焊接麻煩、調(diào)試繁瑣、成本較高等問題。而且，基于FPGA 的數(shù)字日歷與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在設計靈活、開發(fā)速度、降低成本、計時精度、功能實現(xiàn)上都得到大幅度提升，能夠更好地滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?br /> 本文介紹如何利用VHDL 硬件描述語言設計一個具有年、月、日、星期、時、分、秒計時顯示功能，時間調(diào)整功能和整點報時功能的數(shù)字日歷。在Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境下，采用自頂向下的設計方法，建立各個基本模塊，再構建成一個完整的基于FPGA 設計的數(shù)字日歷的頂層模塊，然后對其進行編譯、仿真、引腳鎖定，最終下載到可編程邏輯器件上進行結果驗證。 1 數(shù)字日歷整體設計方案 基于FPGA 的數(shù)字日歷設計分為硬件設計和軟件設計兩大部分。其原理框圖如圖1所示。整個數(shù)字日歷由六個部分組成：顯示控制部分，時分秒部分，年月日部分，定時與整點報時部分，星期部分，調(diào)整控制部分。秒、分、時分別由兩個60進制的計數(shù)器和一個24進制的計數(shù)器組成。當個計數(shù)器達到進位的條件時向下一計數(shù)器進位。同樣日、月、年也是由不同的計數(shù)器組成，當達到所需進位的條件時向下一計數(shù)器進位，各計數(shù)器在進位的同時分別把各自的結果輸出給顯示部分進行實時顯示。 圖1 數(shù)字日歷原理框圖 2 數(shù)字日歷的工作原理 首先由外部振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號，作為數(shù)字日歷的時間基準，然后經(jīng)過分頻器輸出標準秒脈沖，輸入到FPGA的CLOCK端，實現(xiàn)計數(shù)。當秒計數(shù)器滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器滿60后向小時計數(shù)器進位，小時計數(shù)器按照“24進1”規(guī)律計數(shù)。計滿后各計數(shù)器清零，重新計數(shù)。日部分由于日有28天、29天、30天、31天4種情況，故日由年和月共同判斷其天數(shù)，日計滿后向月進位，月滿后向年進位。計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送數(shù)碼管顯示。計時出現(xiàn)誤差時，可以用校時電路校時、校分、校秒和校年、校月、校日。 設計中用到了6 個按鍵K1，K2，K3，K4，ZHENG，NAO。其中K1用于切換顯示，剛開始時顯示日期，按兩次K1顯示星期+時間，再按兩次K1顯示定時時間，再按兩次重新顯示日期，以此循環(huán)。K2、K3和K4配合進行調(diào)節(jié)：開始正常顯示不進行調(diào)節(jié)；當按兩下K2 鍵切換到對分鐘進行調(diào)節(jié)，此時每按兩下K3 鍵分鐘加1；再按兩下K2 鍵切換到對小時進行調(diào)節(jié)，此時每按兩下K3 鍵小時加1；依照分鐘→小時→星期→天→月→年→定時→正常→分鐘的次序循環(huán)調(diào)節(jié)，每按兩下K2 鍵切換到調(diào)節(jié)相應顯示，此時每按下K3鍵兩次，對應顯示加1；當切換到定時調(diào)節(jié)時，每按兩下K3鍵，定時的分鐘加1，此時按兩下K4 鍵，切換到定時小時調(diào)節(jié)，每按兩下K3 鍵，定時的小時加1。按鍵ZHENG和NAO為整點報時和定時鬧鐘的使能端（低電平有效）。 3 軟件設計 軟件設計分為秒分時、年月日、按鍵調(diào)整、控制顯示、鬧鐘等幾大模塊。設計好各子模塊，然后在原理圖編輯窗口創(chuàng)建頂層原理圖文件shuzirili.bdf，將各子模塊按照邏輯關系連接起來得到數(shù)字日歷電路核心部分的原理圖。下面對各子模塊設計及仿真進行介紹。 3.1 時分秒模塊 分和秒都是60進制的計數(shù)器，小時則是24進制的計數(shù)器，先對各個子模塊進行設計編譯，驗證無誤后再將其組織到一起。外部時鐘信號通過秒模塊的clk 輸入，產(chǎn)生的進位信號輸送到分模塊的clk，分模塊產(chǎn)生的進位信號輸送到小時模塊的clk，構成時分秒模塊。其結構圖如圖2所示。 圖2 時分秒原理圖 3.2 星期模塊 星期模塊為七進制計數(shù)器。其計數(shù)時鐘信號來自于調(diào)時電路產(chǎn)生的星期進位脈沖信號，計數(shù)至6 瞬間，計星期模塊返回0 重新開始計數(shù)。 3.3 年月日模塊 年月日模塊有daycounter 模塊、days-control 模塊、monthcounter模塊、yearcounter模塊組成，具有大小月判斷和閏年判斷功能，其結構圖如圖3所示。 圖3 年月日連接框圖 下面以年月日模塊為例，連接好之后進行編譯并仿真，閏/平年的2月仿真結果如圖4，圖5所示，年進位如圖6所示。 圖4 仿真結果（2008年2月） 圖5 仿真結果（2005年2月） 圖6 仿真結果（2004年12月） 年月日模塊計數(shù)設定為2000年～2999年，從圖4中可以看出2008年2月，計數(shù)到29天；從圖5得到2005年2 月計數(shù)到28天；從圖6看出2004年12月計數(shù)到31天，設計正確。 3.4 定時模塊 定時模塊通過按鍵K4來切換調(diào)節(jié)定時的分鐘和小時，調(diào)整功能由調(diào)時模塊的按鍵K3來完成，每按兩下K3對應的顯示加1。 3.5 調(diào)時模塊 調(diào)時模塊設計思想是：通過把整個設計中的上一個模塊（比如：分的上一個模塊是秒；年的上一個模塊是月，等等）的進位輸出接到本模塊的輸入in，out接到下一個模塊的時鐘輸入。正常狀態(tài)下sout=fin，fout=hin，hout=din，dout=min，mout=yin ，win=hout；當每按下兩次K2鍵，產(chǎn)生一個上升沿分別對fin，hin，win，din，min，yin，dingshi調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號由K3 給出。其中定義一個信號w，計數(shù)到7 返0，對應正常狀態(tài)，fin，hin，win，din，min，yin，dingshi 7個狀態(tài)。 當K2 每來一個上升沿時，分別對分，時，星期，天，月，年以及定時調(diào)整，調(diào)整信號由K3 給出，經(jīng)仿真調(diào)時模塊結果與系統(tǒng)設計要求符合。 3.6 控制模塊 控制模塊通過K1按鍵進行切換顯示調(diào)整，起初顯示年月日，按下2次K1顯示時間，再按下2次顯示定時時間。 若仿真參數(shù)設置數(shù)值為：2013 年05 月15 日，星期三，15：28（33 s），定時為07：19。仿真后結果如圖7所示。 從圖7可以看出，通過K1 按鍵控制顯示，開始顯示年月日：20130515，當按下K1 兩下，顯示星期+時間：03152833；再按兩下顯示定時時間：00000719。仿真結果與預期設計一致，設計正確。 圖7 仿真結果 3.7 鬧鐘模塊 鬧鐘模塊設計為當定時時間到或者整點時鬧鈴響，分別有ZHENG，NAO 兩個控制端子控制，低電平有效。經(jīng)驗證，定時和整點報時仿真結果均符合設計要求。 3.8 頂層模塊 將各個子模塊設計好之后，并創(chuàng)建各自文件的圖元，以供原理圖設計文件中調(diào)用。然后在原理圖編輯窗口創(chuàng)建頂層原理圖文件shuzirili.bdf，即將各圖元的引線端子按照邏輯關系連接起來，得到如圖8所示的完整原理圖，也即頂層模塊。 對頂層文件分別進行時間、日期、鬧鈴功能的波形仿真，得到的仿真結果和預想設計一致，表明設計正確。 圖8 頂層原理圖 4 硬件驗證 在Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境中完成上述軟件設計及仿真后，最后還需將程序下載到FPGA器件中進行硬件測試，以進一步驗證所設計程序是否正確。硬件驗證時，還需對頂層文件進行管腳分配、并編譯，然后將編譯好的目標文件通過下載電纜下載到FPGA 開發(fā)板中進行驗證和調(diào)試。 采用GW48-SPOC/EDA 實驗開發(fā)系統(tǒng)并設置在工作模式0來驗證設計結果。下面僅給出部分驗證結果。剛完成下載，數(shù)碼管顯示20000000，按兩下K1切換到時間顯示，才剛剛開始計數(shù)，同時揚聲器發(fā)出“滴答滴答”的頻率為1 Hz的響聲（為整點報時）60 s，然后通過按鍵8（K1）、鍵7（K2）、鍵6（K3）、鍵5（K4）對各個功能進行驗證。首先調(diào)整時間，按兩下K2鍵切換到分的調(diào)整，此時每按兩下K3 鍵，分鐘加1，驗證過程中看到加到59就變?yōu)?0；再按兩下K2鍵切換到小時的調(diào)整，此時每按兩下K3鍵，分鐘加1；用同樣的方法調(diào)整星期，天，月，年以及定時的分鐘和小時。 調(diào)整日期為2013年7月31號，當再調(diào)整天時，就變?yōu)?013年7月1號，結果如圖9所示。其他月份實驗結果也符合生活規(guī)律，與設計要求一致。 其他的測試結果，數(shù)碼管能夠正確顯示計時時間，定時驗證及時間調(diào)節(jié)、整點報時均能夠正常工作，實驗結果符合設計要求。 圖9 實際電路驗證 5 結語 本文基于FPGA 環(huán)境設計了一個具有年、月、日、星期、時、分、秒計時顯示功能，時間調(diào)整功能和整點報時功能的數(shù)字日歷系統(tǒng)，并將之下載到FPGA 芯片EP1C3T144-3 上進行結果驗證，實驗驗證表明：數(shù)碼管能夠正確顯示計時時間，能夠通過按鍵調(diào)整時間，能夠設定時間并調(diào)整，整點報時能夠正常工作，實驗結果符合設計要求。由于設計中利用硬件描述語言和FPGA芯片相結合進行數(shù)字日歷的研究，即利用EDA 技術在一定程度上實現(xiàn)了硬件設計軟件化，使設計過程變得相對簡單，易于修改。 另外，隨著電子技術的發(fā)展，數(shù)字日歷的功能會更加多樣化，諸如增加農(nóng)歷顯示；加入溫度采集系統(tǒng)，能夠顯示每時每刻的環(huán)境溫度；加入節(jié)氣、節(jié)日提醒及顯示功能，提醒人們農(nóng)耕及休息時間；還可以加入語音識別，方便人們不動手實現(xiàn)對數(shù)字日歷的調(diào)節(jié)等等。相信功能日趨完善多樣化的數(shù)字日歷將能更好地滿足人們的各種需要，為人類服務。 |
