数字钟设计.docx
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数字钟设计
东北石油大学
课程设计
课程硬件课程设计
题目数字钟设计
院系计算机与信息技术学院
专业班级
学生姓名
学生学号
指导教师
2009年7月10日
2012年6月10日
东北石油大学课程设计任务书
课程硬件课程设计
题目数字钟设计
专业
主要内容、基本要求等
一、主要内容：
利用EL教学实验箱、微机和QuartusⅡ软件系统，使用VHDL语言输入方法设计数字钟。
可以利用层次设计方法和VHDL语言，完成硬件设计设计和仿真。
最后在EL教学实验箱中实现。
二、基本要求：
1.具有时，分，秒，计数显示功能，以24小时循环计时。
2.具有清零功能。
三、扩展要求：
1.调节小时、分钟功能。
2.整点报时功能，整点报时的同时LED灯花样显示。
四、参考文献：
[1]潘松，王国栋，VHDL实用教程〔M〕.成都:
电子科技大学出版社，2000.
（1）
[2]崔建明主编，电工电子EDA仿真技术北京：
高等教育出版社，2004
[3]李衍编著，EDA技术入门与提高王行西安：
西安电子科技大学出版社，2005
[4]侯继红,李向东主编，EDA实用技术教程北京：
中国电力出版社，2004
[5]沈明山编著，EDA技术及可编程器件应用实训北京：
科学出版社，2004
完成期限2周
指导教师
专业负责人
2012年7月6日
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
硬件课程设计
题目名称
数字钟设计
学生姓名
序号
评价项目
指标（优秀）
满分
评分
1
选题难度
选题难度较高，或者对原题目进行了相当程度的改进。
10
2
工作量、工作态度和出勤率
工作量饱满，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
10
3
课程设计质量
按期圆满的完成了规定的任务，方案设计合理，思考问题全面，系统功能完善。
40
4
报告质量
问题论述思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
30
5
回答问题
在进行课程设计程序系统检查时，能正确回答指导教师所提出的问题。
10
6
创新（加分项）
工作中有创新意识，对前人工作有改进或有应用价值。
在进行系统检查时能对创新性进行说明，并在报告中有相应的论述。
+5
总分
评语：
指导教师：
年月日
摘要
本文对EDA的概念，技术及其应用进行了概述并利用VHDL语言在EDA平台上设计一个电子数字钟，它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还具有校时功能和闹钟功能。
总的程序由几个各具不同功能的单元模块程序拼接而成，并且使用Quartus7.2-II软件进行电路波形仿真，下载到EDA实验箱进行验证。
根据系统设计要求,系统设计采用自顶向下设计方法,由时钟分频部分、计时部分、按键部分调时部分和显示部分五个部分组成。
这些模块都放在一个顶层文件中。
首先下载程序进行复位清零操作,电子钟从00：
00：
00计时开始。
sethour可以调整时钟的小时部分,setmin可以调整分钟,步进为1。
用6位数码管分别显示“时”、“分”、“秒”,通过OUTPUT（6DOWNTO0）上的信号来点亮指定的LED七段显示数码管。
手动调节分钟、小时，可以对所设计的时钟任意调时间，这样使数字钟真正具有使用功能。
我们可以通过实验板上的键7和键4进行任意的调整，因为我们用的时钟信号均是1HZ的，所以每LED灯变化一次就来一个脉冲，即计数一次。
reset为复位键，低电平时实现清零功能，高电平时正常计数。
可以根据我们自己任意时间的复位。
关键词：
EDA（电子设计自动化）；VHDL（硬件描述语言），数字钟。
目 录
第1章概述
1.1EDA的概念
EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的[1]。
EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度[2]。
现在对EDA的概念或范畴用得很宽。
包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。
目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。
例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。
本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。
EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。
本次毕业设计课题实现的核心技术即为EDA相关技术[3]。
1.1.1设计方法
（1）前端设计（系统建模RTL级描述）后端设计（FPGAASIC）系统建模。
（2）IP复用。
（3）前端设计。
（4）系统描述：
建立系统的数学模型。
（5）功能描述：
描述系统的行为或各子模块之间的数据流图。
（6）逻辑设计：
将系统功能结构化，通常以文本、原理图、逻辑图、布尔表达式来表示设计结果。
（7）仿真：
包括功能仿真和时序仿真，主要验证系统功能的正确性及时序特性。
1.1.2EDA技术及应用
EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。
在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。
主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。
一般学习电路仿真工具（如multiSIM、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统），为今后工作打下基础[4]。
而且电子设计技术的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。
EDA技术已有30年的发展历程，大致可分为三个阶段。
70年代为计算机辅助设计（CAD）阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。
80年代为计算机辅助工程（CAE）阶段。
与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。
CAE的主要功能是：
原理图输人，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。
90年代为电子系统设计自动化（EDA）阶段[3]。
如今从应用领域来看，EDA技术已经渗透到各行各业，包括在机械、电子、通信、航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA应用。
另外，EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。
如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电影特技等领域[6]。
中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PCB制板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员开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引进和学习一些最新的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[7]。
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、低电压方面发展[8]。
1.2EDA的工作平台
1.2.1EDA硬件工作平台
1.计算机。
2.EDA实验开发系统：
EDA-V。
1.2.2EDA的软件工作平台
PLD（ProgrammableLogicDevice）是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路[9]。
目前主要有两大类型：
CPLD（ComplexPLD）和FPGA（FieldProgrammableGateArray）。
它们的基本设计方法是借助于EDA软件，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后用编程器或下载电缆，由目标器件实现。
生产PLD的厂家很多，但最有代表性的PLD厂家为Altera、Xilinx和Lattice公司[10]。
第2章数字钟的系统分析
2.1设计目的
1.掌握多位计数器相连的设计方法。
2.掌握十进制，六进制，二十四进制计数器的设计方法。
3.继续巩固多位共阴极扫描显示数码管的驱动，及编码。
4.掌握扬声器的驱动。
5.LED灯的花样显示。
6.掌握CPLD技术的层次化设计方法。
2.2功能说明
1.有时、分、秒计数显示功能,小时为24进制,分钟和秒为60进制以24小时循环计时。
2.设置复位、清零等功能。
3.有校时功能,可以分别对时及分进行单独校时,使其校正到标准时间。
4.时钟计数显示时有LED灯显示。
2.3性能指标及功能设计
1.时、分、秒计时器
时计时器为一个24进制计数器，分、秒计时器均为60进制计数器。
当秒计时器接受到一个秒脉冲时，秒计数器开始从1计数到60，此时秒显示器将显示00、01、02、...、59、00；每当秒计数器数到00时，就会产生一个脉冲输出送至分计时器，此时分计数器数值在原有基础上加1，其显示器将显示00、01、02、...、59、00；每当分计数器数到00时，就会产生一个脉冲输出送至时计时器，此时时计数器数值在原有基础上加1，其显示器将显示00、01、02、...、23、00。
即当数字钟运行到23点59分59秒时，当秒计时器在接受一个秒脉冲，数字钟将自动显示00点00分00秒。
2.校时电路
当开关拨至校时档时，电子钟秒计时工作，通过时、分校时开关分别对时、分进行校对，开关每按1次，与开关对应的时或分计数器加1，当调至需要的时与分时，拨动reset开关，电子钟从设置的时间开始往后计时。
2.4总体方框图
图2-1总体框图
第3章数字钟的工作原理及其设计
3.1数字钟的基本工作原理：
3.1.1时基T产生电路
数字钟以其显示时间的直观性、走时准确性作为一种计时工具，数字钟的基本组成部分离不开计数器，在控制逻辑电路的控制下完成预定的各项功能。
由晶振产生的频率非常稳定的脉冲，经整形、稳定电路后，产生一个频率为1Hz的、非常稳定的计数时钟脉冲。
3.1.2调时、调分信号的产生
由计数器的计数过程可知，正常计数时，当秒计数器（60进制）计数到59时，再来一个脉冲，则秒计数器清零，重新开始新一轮的计数，而进位则作为分计数器的计数脉冲，使分计数器计数加1。
现在我们把电路稍做变动：
把秒计数器的进位脉冲和一个频率为2Hz的脉冲信号同时接到一个2选1数据选择器的两个数据输入端，而位选信号则接一个脉冲按键开关，当按键开关不按下去时（即为0），则数据选择器将秒计数器的进位脉冲送到分计数器，此时，数字钟正常工作；当按键开关按下去时（即为1），则数据选择器将另外一个2Hz的信号作为分计数器的计数脉冲，使其计数频率加快，当达到正确时间时，松开按键开关，从而达到调时的目的。
调节小时的时间也一样的实现。
3.1.3计数显示电路
由计数部分、数据选择器、译码器组成，是时钟的关键部分。
1、计数部分：
由两个60进制计数器和一个24进制计数器组成，其中60进制计数器可用6进制计数器和10进制计数器构成；24进制的小时计数同样可用6进制计数器和10进制计数器得到：
当计数器计数到24时，“2”和“4”同时进行清零，则可实现24进制计数。
2、数据选择器：
84输入14输出的多路数据选择器，因为本实验用到了8个数码管（有两个用来产生隔离符号‘—’）。
3、译码器：
七段译码器。
译码器必须能译出‘—’，由实验二中译码器真值表可得：
字母F的8421BCD码为“1111”，译码后为“1000111”，现在如果只译出‘—’，即字母F的中间一横，则译码后应为“0000001”，这样，在数码管上显示的就为‘—’。
3.2设计思路
根据系统设计要求,系统设计采用自顶向下设计方法,由时钟分频部分、计时部分、按键部分调时部分和显示部分五个部分组成。
这些模块都放在一个顶层文件中。
1）时钟计数：
首先下载程序进行复位清零操作,电子钟从00：
00：
00计时开始。
sethour可以调整时钟的小时部分,setmin可以调整分钟,步进为1。
由于电子钟的最小计时单位是1s,因此提供给系统的内部的时钟频率应该大于1Hz,这里取100Hz。
CLK端连接外部10Hz的时钟输入信号clk。
对clk进行计数,当clk=10时,秒加1,当秒加到60时,分加1；当分加到60时,时加1；当时加到24时,全部清0,从新计时。
用6位数码管分别显示“时”、“分”、“秒”,通过OUTPUT（6DOWNTO0）上的信号来点亮指定的LED七段显示数码管。
时间设置：
手动调节分钟、小时，可以对所设计的时钟任意调时间，这样使数字钟真正具有使用功能。
我们可以通过实验板上的键7和键4进行任意的调整，因为我们用的时钟信号均是1HZ的，所以每LED灯变化一次就来一个脉冲，即计数一次。
3）清零功能：
reset为复位键，低电平时实现清零功能，高电平时正常计数。
可以根据我们自己任意时间的复位。
第4章VHDL源程序
4.1Alert模块
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYalertIS
PORT（clk:
INSTD_LOGIC;
dain:
INSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
speak:
OUTSTD_LOGIC;
lamp:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（2DOWNTO0））;
ENDalert;
ARCHITECTUREfunOFalertIS
SIGNALcount:
STD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;
SIGNALcount1:
STD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;
BEGIN
speaker:
PROCESS（clk）
BEGIN
--speak<=count1
（1）;
IF（clk'eventandclk='1'）THEN
IF（dain="0000000"）THEN
speak<=count1
（1）;
IF（count1>="10"）THEN
count1<="00";--count1为三进制加法计数器
ELSE
count1<=count1+1;
--speak<=count1（0）;
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESSspeaker;
lamper:
PROCESS（clk）
BEGIN
IF（rising_edge（clk））THEN
IF（count<="10"）THEN
IF（count="00"）THEN
lamp<="001";--循环点亮三只灯
ELSIF（count="01"）THEN
lamp<="010";
ELSIF（count="10"）THEN
lamp<="100";
ENDIF;
count<=count+1;
ELSE
count<="00";
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESSlamper;
ENDfun;
4.2Hour模块
LIBRARYIEEE;
useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYhourIS
PORT（clk,reset:
INSTD_LOGIC;
daout:
outSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0））;
ENDENTITYhour;
ARCHITECTUREfunOFhourIS
SIGNALcount:
STD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;
BEGIN
daout<=count;
PROCESS（clk,reset）
BEGIN
IF（reset='0'）THENcount<="000000";--若reset=0，则异步清零
ELSIF（clk'eventandclk='1'）THEN--否则，若clk上升沿到
IF（count（3DOWNTO0）="1001"）THEN--若个位计时恰好到"1001"即9
IF（count<16#23#）THEN--23进制
count<=count+7;--若到23D则
else
count<="000000";--复0
ENDIF;
ELSIF（count<16#23#）THEN--若未到23D，则count进1
count<=count+1;
ELSE--否则清零
count<="000000";
ENDIF;--ENDIF（count（3DOWNTO0）="1001"）
ENDIF;--ENDIF（reset='0'）
ENDPROCESS;
ENDfun;
4.3Minute模块
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYminuteIS
PORT（clk,clk1,reset,sethour:
INSTD_LOGIC;
enhour:
OUTSTD_LOGIC;
daout:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;
ENDENTITYminute;
ARCHITECTUREfunOFminuteIS
SIGNALcount:
STD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
SIGNALenhour_1,enhour_2:
STD_LOGIC;--enmin_1为59分时的进位信号
BEGIN--enmin_2由clk调制后的手动调时脉冲信号串
daout<=count;
enhour_2<=（sethourandclk1）;--sethour为手动调时控制信号，高电平有效
enhour<=（enhour_1orenhour_2）;
PROCESS（clk,reset,sethour）
BEGIN
IF（reset='0'）THEN--若reset为0，则异步清零
count<="0000000";
ELSIF（clk'eventandclk='1'）THEN--否则，若clk上升沿到
IF（count（3DOWNTO0）="1001"）THEN--若个位计时恰好到"1001"即9
IF（count<16#60#）THEN--又若count小于16#60#，即60
IF（count="1011001"）THEN--又若已到59D
enhour_1<='1';--则置进位为1
count<="0000000";--count复0
ELSE
count<=count+7;--若count未到59D，则加7，即作"加6校正"
ENDIF;--使前面的16#60#的个位转变为8421BCD的容量
ELSE
count<="0000000";--count复0（有此句，则对无效状态电路可自启动）
ENDIF;--ENDIF（count<16#60#）
ELSIF（count<16#60#）THEN
count<=count+1;--若count<16#60#则count加1
enhour_1<='0'after100ns;--没有发生进位
ELSE
count<="0000000";--否则，若count不小于16#60#count复0
ENDIF;--ENDIF（count（3DOWNTO0）="1001"）
ENDIF;--ENDIF（reset='0'）
ENDprocess;
ENDfun;
4.4Second模块
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYsecondIS
PORT（clk,reset,setmin:
STD_LOGIC;
enmin:
OUTSTD_LOGIC;
daout:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;
ENDENTITYsecond;
ARCHITECTUREfunOFsecondIS
SIGNALcount:
STD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
SIGNALenmin_1,enmin_2:
STD_LOGIC;--enmin_1为59秒时的进位信号
BEGIN--enmin_2由clk调制后的手动调分脉冲信号串
daout<=count;
enmin_2<=（setminandclk）;--setmin为手动调分控制信号，高电平有效
enmin<=（enmin_1orenmin_2）;--enmin为向分进位信号
PROCESS（clk,reset,setmin）
BEGIN
IF（reset='0'）THENcount<="0000000";--若reset为0，则异步清零
ELSIF（clk'eventandclk='1'）then--否则，若clk上升沿到
IF（count（3downto0）="1001"）then--若个位计时恰好到"1001"即9
IF（count<16#60#）then--又若count小于
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