VHDL实现数字钟课设报告[推荐]_数字钟vhdl实验报告

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东北大学信息学院

课程设计报告

课程设计题目：用VHDL语言实现数字钟的设计

班 级：电子1001班 学 号：20102594 姓 名：刘云飞

指导老师：李世平、李宁

设计时间：2012年12月

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摘要

随着EDA技术的发展，EDA在通信、电子等领域占有十分重要的地位。本设计介绍了基于VHDL语言的数字钟的设计。数字钟的功能是对年、月、日、时、分、秒、星期，以及闹钟时、分的预置；在正常计数时的时、分与闹钟设定的时、分相同时，实现报时，同时以stop和pa键对闹钟进行停止及延迟响铃的控制;在整点的时候led灯闪烁一下。其中，用set脉冲的不同实现对预置，正常计时，闹钟的控制。Set为1~12分别控制显示年月日、预置年月日、时分秒、星期、显示时分秒、预置闹钟时分、显示闹钟预置的时分。预置时用up的高、低电平实现对各预置量的加、减控制。将1KHZ的时钟进行分频为1HZ，实现每次脉冲为1秒。经仿真和验证显示，此数字钟切实可行，可以实现显示时间和闹钟的功能。

关键词：VHDL语言，数字钟，预置

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目录

摘 要............................................................21、设计目的.........................................................42、设计内容和要求...................................................43、设计原理.........................................................4

3.1 数字钟功能介绍..........................................................................................................4 3.2 数字钟设计原理..........................................................................................................54、VHDL程序设计.....................................................6

4.1 整体设计思路................................................................................................................6 4.2 各模块设计方法............................................................................................................7 4.2.1 顶层模块...............................................................................................................7 4.2.2 其他模块...............................................................................................................8 4.2.3 程序包模块.........................................................................................................135、仿真与分析......................................................13

5.1 仿真结果....................................................................................................................13 5.2 仿真分析....................................................................................................................166、课程设计总结....................................................167、参考文献........................................................17

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1、设计目的掌握利用可编程逻辑器件和EDA设计工具进行电子系统设计的方法。

2、设计内容和要求

用VHDL语言实现数字钟的设计，要求设计实现一个具有带预置数的数字钟，具有显示年月日时分秒的功能。用6个数码管显示时分秒，set按钮产生第一个脉冲时，显示切换年月日，第2个脉冲到来时可预置年份，第3个脉冲到来时可预置月份，依次第4、5、6、7个脉冲到来时分别可预置日期、时、分、秒，第 8个脉冲到来后预置结束，正常工作，显示的是时分秒。Up为高电平时，upclk有脉冲到达时，预置位加1。否则减1。

3、设计原理 3.1 数字钟功能介绍

数字钟具有计时、预置、报时的功能。以不同的set脉冲控制各个功能。

（1）在计时功能中，数字钟实现对年月日时分秒即星期的计时，并可以通过LED数码管分别显示年月日、或时分秒、或星期、或闹钟的时分。

（2）在预置功能中，可以通过UP键对各需要预置的量进行控制。UP=1时，进行“加”控制，UP=0时，进行“减”控制。

（3）在报时功能中，分为整点报时和设置时间报时。其中整点报时以ce作为使能输入端，在整点时灯进行一秒闪烁；设置时间报时以enable作为使能输入端，enable=1时设置时间报时功能启动，在闹钟预置时间与时钟当前时间相同时报时，若此时按下stop，闹钟立即停止并不再响铃，若按下pa，则闹钟立即停止，但三分钟后再响，如此循环5次后不再响铃，若什么都不按，闹钟响铃持续1分钟。

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3.2 数字钟设计原理

本设计功能有8个子模块：分频模块、时分秒模块、日模块、年月模块、闹钟预置模块、星期模块、响铃模块。通过元件例化由顶层文件timekeeper综合。

整体设计框图及外观图如（图 3-1）及（图3-2）

图3-1 数字钟设计整体框图

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图3-2 数字钟外观图

4、VHDL程序设计

4.1 整体设计思路

采用自上而下的方法进行整体设计。整个设计共分为8个模块，通过顶

层文件timekeeper元件例化将8个模块各个端口对应相连。在设计各个模块时所用到的其它运算方法等放于work库中，通过程序包及程序包体的方式对所使用函数进行定义。

主要使用的语句有：元件例化语句，过程语句，信号赋值语句，if语句，case语句（在状态机中）。

图（4-1）表示了个模块的连接及连接是所用到的触发器等。

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图4-1

整体结构图

4.2 各模块设计方法

4.2.1 顶层模块

顶层模块timekeeper是.对对所有模块的综合。

它包含的功能是：通过元件例化连接各模块；实现对闹钟控制位sp2的控制；实现闹钟的整点报时闪烁。

输入端：up

全局加减选择，控制预置时的加减

setpin 设定选择

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upclk 加减触发

f1000 时钟输入

输出端：a0~d1 八位数码管控制引脚的输出

z

整点报时输出 4.2.2 其他模块

1、时分秒模块

时分秒模块h_m_s是对时、分、秒正常计时（set=0 or 1 or 12）和预置时分秒（set=5 or 6 or 7）的实现。

分和秒由两个六十进制实现，时由24进制实现。当时间达到23时59分59秒时，时分秒全部归零，进位位ov由零变为1，通过管脚连接到date模块的时钟计数信号clk0，开启date模块。

2、日的模块

日的模块date实现日子进行正常计时（set=0 or 1 or 12）和预置（set=4）。

由于每月的天数与月份、年份有关，故需判断年月。(1)(2)(3)当1、3、5、7、8、10、12月时，每月31天，使用31进制。当4、6、9、11月时，每月30天，使用30进制。当2月时，分闰年和平年。闰年29天，平年28天。

闰年和平年的判断方法是：由于通过年月模块传输的年份为两位BCD码。若高位信号为“xxx0”且低位信号为“xx00”或高位信号为“xxx1”且低位信号为“xx10”，则可判定为闰年，否则为平年。

以上各月，当日期至月底时返回1，进位位ov变为1通过管脚连接年月模块的时钟计数信号clk0，开启年月模块。

3、年月模块

年月模块year_mon实现年月正常计时（set=0 or 1 or 12）和年、月的预置（set=2 or 3）。

月为12进制，当达到12时变回为1，同时使年份进1。由两位BCD码表示年份，故可以表示100年之年的所有年，为100进制。

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图4-2 year_mon和date模块的电路连接图

4、星期模块

星期模块week的功能是实现对星期的计时（set=0 or 1 or 12）和预置（set=8）。为七进制。

图4-3 week模块的RTL5、闹钟模块

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闹钟模块alarm是对闹钟时和分的预置（set=10 or 11）。时为24进制，分为60进制。

图4-3 alarm模块的RTL

另外，在顶层模块timekeeper，当闹钟预置时间与计时时间相同时（仅时、分），闹钟响铃，当不对其进行任何操作时，响铃维持1分钟。响铃方式见4.2.7响铃模块。

6、响铃模块

响铃模块alarm是对闹钟响铃的控制。其中主要包含：

Enable：当enable=1时，闹钟可以工作。

Sp2 ：当顶层模块闹钟时间与计时相等时，sp2=1，响铃开启。Stop ：闹钟停止并不再响铃。

Pa ：闹钟停止但三分钟后再响，循环5次。Sp ：响铃输出。Sp=1时响铃，sp=0时不响。本模块主要使用的方法是状态机。相应状态转换图如下：

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图 4-4 响铃模块状态转换图

在状态t_pa时，使用计数的方法实现对3分钟，5次循环的计数。

图 4-5 计数的流程图

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图4-6 speak模块的RTL7、分频模块

分频模块fenpin使输入为1KHZ时钟信号时，接入电路经分频后仍能按1HZ即1s计数。

图4-7 fenpin模块的RTL8、显示模块

显示模块led即七段数码管的显示电路。

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图4-8 led模块的RTL 4.2.3 程序包模块

程序模块是对各模块所用到的函数的定义，通过程序包package定义时、日、月、年等的增减函数（procedure），并用程序包体package body具体说明函数的内容。通过use.work.pac.all语句调用程序包，使程序书写更加方便简洁。

5、仿真与分析

5.1 仿真结果

1、h_m_s模块

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表示当up=1时，时钟时（set=5）、分（set=6）、秒（set=7）从0开始加。

图 5-12、date模块

以下为对应月份截图。另外，当日期由最末变为1时，ov进1以控制year_mon模块。

（1）大月：每月31天。

图5-2-1（2）小月：每月30天。

图5-2-2（3）平年2月：每月28天。

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图5-2-3（3）闰年2月：每月29天。

图5-2-43、year_mon模块

图5-34、week模块

前半部分up=1，为加，1~7，后半部分up=0，为减，6~1

图5-45、alarm模块

下图反映对闹钟时（set=10）、分（set=11）的预置，up=1为加。

图 5-5

6、speak模块

（1）按下pa

由下图可见，当时间相同sp为高电平；按下pa后sp变为低电平，三分钟

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后sp又为高电平。

图5-6-1（2）按下stop

由下图可见，当时间相同时sp为高电平，按下stop后sp变为低电平。

图 5-6-2

5.2 仿真分析

各模块仿真均可实现，且波形显示可以实现预想的功能。

6、课程设计总结

通过这次的课程设计，我又一次系统的复习了VHDL语言，通过实践对VHDL语言和EDA技术有了更具现实性应用性的了解，并熟练了相关软件的使用方法。

此次课程设计的内容是数字钟，我学会了如何利用元件例化将各个模块结合起来，而不是一味的想起一个功能设计一个功能，而是有一个总体的自上而下的设计，建立基本的设计框图（如图 3-1），再进行具体的设计。

在程序调试的过程中，出现了很多的问题。我发现往往是一行出现了错误导致了接下来一系列错误的出现。

还有在仿真中出现错误的红线，并出现了‘U’字符，全都是未设置初值所致。而在设置初值时仍然出现了问题。最开始我想定义一个clr信号，当clr为高电平时各功能清零，但是在实际仿真时，由于常常要看在月末或类似23时59分59秒这样的时刻是否有进位信号进为高电平，从零开始显然让仿真变的十

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分麻烦，如果可以直接赋初值到接近进位的时刻就会让仿真变得简便。即使用信号赋初值的方法对信号进行赋初值，既解决错误又利于仿真。

在最后对顶层仿真时出现了很多的问题，最后发现都是未对应的问题。当然，我的设计还有很多不足的地方。比如有一处的竞争冒险产生的毛刺没有解决。最开始是将speak模块控制信号sp2的相关程序写在了alarm模块，仿真时发现在一处出现了毛刺，在对闹钟进行预置时分时的第一个时间都未足一个时钟周期（如图 5-5）。后来我想是否因为alarm模块有两个proce进程，就将sp2的相关程序挪到了顶层模块，但是最后还是没有实现。咨询了一下同学们，他们都说这没有问题，不需要解决，所以就没有解决这个问题。

此次课程设计我学到了很多，但是我觉得应该放在刚刚考完EDA之后，那时候对只是记得比较清楚，不像在这次设计时很多知识都想不起来了。其他的对我帮助都很大。

7、参考文献李景华，杜玉远等著.可编程逻辑器件与EDA技术.沈阳：东北大学出版社，2000 2 齐怀印等.高级逻辑器件与设计.北京：电子工业出版社，1996 3 可编程逻辑器件与数字系统设计[M].北京航天航空大学出版社,1999 4 刘真,毕才术.数字逻辑与计算机设计[M ]北京:高等教育出版社,2002 5 王小军.VHDL简明教程[M].北京:清华大学出版社,1997