EDA论文多功能数字钟的设计.docx
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EDA论文多功能数字钟的设计
题目：
基于EDA技术基础的
多功能数字钟的设计
专业：
班级：
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指导教师：
目录
1.1摘要……………………………………………………3
1.2设计要求说明…………………………………………3
1.3方案论证………………………………………………4
1.4各模块设计……………………………………………5
1.5系统设计………………………………………………9
1.6调试过程………………………………………………12
1.7结论……………………………………………………16
1.8参考文献………………………………………………17
1.1摘要
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，已得到广泛的使用。
数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑和时序电路。
因此，我们此次设计与制做数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法.
数字钟的设计方法有许多种,例如,可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等等。
这些方法都各有其特点。
我们是使用VHDL来设计的，并且用仿真器对其进行仿真。
1.2、设计要求说明
设计并实现具有一定功能的数字小系统（数字钟）要求：
1、对所有设计的小系统能够正确分析；
2、基于VHDL语言描述系统的功能；
3、在maxplusII环境中编译通过；
4、仿真通过并得到正确的波形；
5、给出相应的设计报告。
1.3、方案论证
该数字钟可以实现3个功能：
计时功能、整点报时功能和重置时间功能，因此有3个子模块：
计时、报时（alarm1）、重置时间（s1、m1、h1、d1）。
其中计时模块有4部分构成：
秒计时器（second1）、分计时器（minute1）、时计时器（hour1）和星期计时器（day1）。
秒计时器（second1）是由一个60进制的计数器构成的，具有清0、置数和计数功能。
其中reset为清0信号，当reset为0时，秒计时器清0；set为置数信号，当set为0时，秒计时器置数，置s1的值。
clk为驱动秒计时器的时钟，sec为秒计时器的输出，ensec为秒计时器的进位信号，作为下一级的时钟输入信号。
分计时器（minute1）是由一个60进制的计数器构成的，具有清0、置数和计数功能。
其中reset为清0信号，当reset为0时，分计时器清0；set为置数信号，当set为0时，分计时器置数，置m1的值。
clkm为驱动分计时器工作的时钟，与ensec相连接；min为分计时器的输出；enmin为分计时器的进位信号，作为下一级的时钟输入信号。
时计时器（hour1）是由一个24进制的计数器构成的，具有清0、置数和计数功能。
其中reset为清0信号，当reset为0时，时计时器清0；set为置数信号，当set为0时，时计时器置数，置h1的值。
clkh为驱动时计时器工作的时钟，与enmin相连接；hour为时计时器的输出；enhour为时计时器的进位信号，作为下一级的时钟输入信号。
星期计时器（day1）是由一个7进制的计数器构成的，具有清0、置数和计数功能。
其中reset为清0信号，当reset为0时，星期计时器清0；set为置数信号，当set为0时，星期计时器置数，置d1的值。
clkd为驱动星期计时器工作的时钟，与enhour相连接；day为星期计时器的输出。
报时模块（alarm1）的功能是当整点（将min作为该模块的输入信号，min=00）时，alarm输出高电平，并且持续1分钟。
数字钟的工作原理图如下所示：
1.4、各模块设计
1、秒计时器（second1）
Libraryieee;
Useieee.std_logic_1164.all;
Useieee.std_logic_arith.all;
Useieee.std_logic_unsigned.all;
Entitysecond1is
Port（clk,set,reset:
instd_logic;
S1:
instd_logic_vector（7downto0）; ――置数端（秒）
Sec:
bufferstd_logic_vector（7downto0）; ――秒输出端
Ensec:
outstd_logic）; ―秒计时器的进位，用来驱动分计时器
End;
Architectureaofsecond1is
Begin
Process（clk,reset,set,s1）
Begin
Ifreset='0'thensec<="00000000"; ――对秒计时器清0
Elsifset='0'thensec<=s1; ――对秒计时器置s1的数
Elsifclk'eventandclk='1'then
ifsec=59thensec<="00000000";ensec<='1'; ――重复计数并产生进位 elsesec<=sec+1;ensec<='0'; 以驱动下一级
endif;
endif;
Endprocess;
End;
2、分计时器（minute1）（略）
3、时计时器（hour1）
Libraryieee;
Useieee.std_logic_1164.all;
Useieee.std_logic_arith.all;
Useieee.std_logic_unsigned.all;
Entityhour1is
Port（clkh,set,reset:
instd_logic;
h1:
instd_logic_vector（7downto0）; ――置数端（时）
hour:
bufferstd_logic_vector（7downto0）; ――时输出端
Enhour:
outstd_logic）; ――时计时器的进位，用来驱动星期计时器
End;
Architectureaofhour1is
Begin
Process（clkh,reset,set,h1）
Begin
Ifreset='0'thenhour<="00000000"; ――对时计时器清0
Elsifset='0'thenhour<=h1; ――对时计时器置h1的数
Elsifclkh'eventandclkh='1'then
ifhour=23thenhour<="00000000";enhour<='1';――重复计数
elsehour<=hour+1;enhour<='0'; 并产生进位以驱动下一级
endif;
endif;
Endprocess;
End;
4、星期计时器（day1）
Libraryieee;
Useieee.std_logic_1164.all;
Useieee.std_logic_arith.all;
Useieee.std_logic_unsigned.all;
Entityday1is
Port（clkd,set,reset:
instd_logic;
d1:
instd_logic_vector（2downto0）; ――置数端（星期）
day:
bufferstd_logic_vector（2downto0））; ――星期输出端
end;
Architectureaofday1is
Begin
Process（clkd,reset,set,d1）
Begin
Ifreset='0'thenday<="000"; ――对星期计时器清0
Elsifset='0'thenday<=d1; ――对星期计时器置d1的数
Elsifclkd'eventandclkd='1'then
Ifday=6thenday<="000"; ――重复计数
Elseday<=day+1;
Endif;
Endif;
Endprocess;
End;
5、报时模块（alarm1）
Libraryieee;
Useieee.std_logic_1164.all;
Useieee.std_logic_arith.all;
Useieee.std_logic_unsigned.all;
Entityalarm1is
Port（reset:
instd_logic;
Min:
instd_logic_vector（7downto0）;
Alarm:
outstd_logic）; ――输出的报时信号
End;
Architectureaofalarm1is
Begin
Alarm<='1'whenmin="00000000"andreset='1'else ――当分为0且清0
'0'; -----信号无效时，输出高电平并持续至分不为0
end;
1.5、系统设计
将上述5个程序作为底层文件，存放在同一个文件夹中，然后按下面的图将这几个文件连接起来，并用元件例化语句编写顶层文件的程序，如下:
Libraryieee;
Useieee.std_logic_1164.all;
Useieee.std_logic_arith.all;
Useieee.std_logic_unsigned.all;
Entitytopclockis
Port（clk,reset,set:
instd_logic;
S1,m1,h1:
instd_logic_vector（7downto0）;
D1:
instd_logic_vector（2downto0）;
Alarm:
outstd_logic;
Sec,min,hour:
bufferstd_logic_vector（7downto0）;
Day:
outstd_logic_vector（2downto0））;
End;
Architectureoneoftopclockis
Componentsecond1 ――秒元件的例化
Port（clk,reset,set:
instd_logic;
S1:
instd_logic_vector（7downto0）;
Sec:
bufferstd_logic_vector（7downto0）;
Ensec:
outstd_logic）;
EndComponent;
Componentminute1 ――分元件的例化
Port（clkm,reset,set:
instd_logic;
m1:
instd_logic_vector（7downto0）;
min:
bufferstd_logic_vector（7downto0）;
Enmin:
outstd_logic）;
EndComponent;
Componenthour1 ――时元件的例化
Port（clkh,reset,set:
instd_logic;
h1:
instd_logic_vector（7downto0）;
hour:
bufferstd_logic_vector（7downto0）;
Enhour:
outstd_logic）;
EndComponent;
Componentday1 ――星期元件的例化
Port（clkd,reset,set:
instd_logic;
d1:
instd_logic_vector（2downto0）;
day:
bufferstd_logic_vector（2downto0））;
EndComponent;
Componentalarm1 ――报时元件的例化
Port（reset:
instd_logic;
min:
instd_logic_vector（7downto0）;
alarm:
outstd_logic）;
EndComponent;
signalenm,enh,enda:
std_logic; ――秒分、分时、时星期之间的连接信号
signalena:
std_logic_vector（7downto0）; ――分与报时之间的连接信号
begin
u1:
second1portmap（reset=>reset,set=>set,s1=>s1,
sec=>sec,clk=>clk,ensec=>enm）;
u2:
minute1portmap（reset=>reset,set=>set,m1=>m1,
min=>min,clkm=>enm,enmin=>enh）;
u3:
hour1portmap（reset=>reset,set=>set,h1=>h1,
hour=>hour,clkh=>enh,enhour=>enda）;
u4:
day1
portmap（reset=>reset,set=>set,d1=>d1,day=>day,clkd=>enda）;
u5:
alarm1portmap（reset=>reset,min=>min,alarm=>alarm）;
end;
1.6、调试过程
1、秒计时器（second1）（Endtime为1us）
在秒计时器的clk输入一个周期为5ns的时钟信号；清0端（reset）前面一小段（100ns）为低电平，后面均为高电平；置数端（set）前面一小段（200ns）为低电平，后面均为高电平；秒重置端（s1）可设置数值为50秒，保存波形图，进行仿真，产生如下波形：
由上述波形可以清楚的看到：
当清0信号（reset）无效时，秒计时器置数，从50秒开始计数，到59秒时回到0，并且从ensec输出一个高电平。
2、分计时器（minute1）（Endtime为1us）
在分计时器的clkm输入一个周期为5ns的时钟信号；清0端（reset）前面一小段（100ns）为低电平，后面均为高电平；置数端（set）前面一小段（200ns）为低电平，后面均为高电平；分重置端（m1）可设置数值为50分，保存波形图，进行仿真，产生如下波形：
由上述波形可以清楚的看到：
当清0信号（reset）无效时，分计时器置数，从50分开始计数，到59秒时回到0，并且从enmin输出一个高电平。
3、时计时器（hour1）（Endtime为1us）
在时计时器的clkh输入一个周期为5ns的时钟信号；清0端（reset）前面一小段（100ns）为低电平，后面均为高电平；置数端（set）前面一小段（200ns）为低电平，后面均为高电平；时重置端（h1）可设置数值为20时，保存波形图，进行仿真，产生如下波形：
由上述波形可以清楚的看到：
当清0信号（reset）无效时，时计时器置数，从20时开始计数，到23时回到0，并且从enhour输出一个高电平。
4、星期计时器（day1）（Endtime为1us）
在星期计时器的clkd输入一个周期为5ns的时钟信号；清0端（reset）前面一小段（100ns）为低电平，后面均为高电平；置数端（set）前面一小段（200ns）为低电平，后面均为高电平；星期重置端（d1）可设置数值为4（星期四），保存波形图，进行仿真，产生如下波形：
由上述波形可以清楚的看到：
当清0信号（reset）无效时，星期计时器置数，从星期四开始计数，到星期六时回到0。
5、报时模块（alarm1）
清0端（reset）前面一小段（200ns）为低电平，后面均为高电平；设置min的值，使其分别为……58分、59分、00分、01分、02分、03分……，保存波形图，进行仿真，产生如下波形：
由上述波形可以清楚的看到：
alarm在0分时输出高电平，并且持续至min不为0。
6、系统总调试（topclock）（Endtime为10us）
在秒计时器的clk输入一个周期为5ns的时钟信号；清0端（reset）前面一小段（40ns）为低电平，后面均为高电平；置数端（set）前面一小段（60ns）为低电平，后面均为高电平；秒重置端（s1）可设置数值为50秒，分重置端（m1）可设置数值为57分,时重置端（h1）可设置数值为23时,星期重置端（d1）可设置数值为6（星期六）；保存波形图，进行仿真，产生如下波形：
由上述波形可以清楚的看到：
当reset为0时，数字钟清0；当set为1时，数字钟置数，其值为星期六、23时、57分、50秒。
由上述波形可以清楚的看到：
秒计时器开始计时，当到达59秒后，秒计时器sec又从0开始计时，同时分钟min加了1，为58分。
由上述波形可以清楚的看到：
分计时器开始计时，当到达59分后，分计时器min又从0开始计时，同时小时hour加了1，为24时，即时计时器hour也又从0开始计时，而此时星期计时器day也由6加1后回0，又从0开始计时。
当分计时器min为0时，alarm输出一个高电平，持续直到分计时器min的值为1。
1.7、结论
由上调试过程可知，该数字钟实现了计时、重置时间、整点报时三大功能。
在给数字钟重置时间后，数字钟便开始从所置的时间计时，到达59秒时，秒计时器回到0秒，并且给分钟加1；当到达59分时，分计时器回到0分钟，并且给小时加1；当到达23小时时，时计时器回到0小时，并且给星期加1；当到达星期六时，星期计时器又回到0。
当到达59分，分计时器回到0时，报时装置输出高电平，并且持续一段时间，直到分计时器的值不为0。
1.8、参考文献
[1]赵明福李立军主编《EDA技术基础》北京大学出版社，2007
[2]北京理工大学ASIC研究所.VHDL语言100例详解[M].北京：
清华大学出版社，1999
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