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多功能数字钟设计一、设计任务：（一）主体功能用HDL设计一个多功能数字钟，包含以下主要功能：1.计时及校时，时间可以24小时制或12小时制显示2.日历：显示年月日星期，及设定设定功能3.跑表：启动/停止/保持显示/清除4.闹钟：设定闹钟时间，整点提示（二）输入输出界面输入：时钟输入，三个按键输出：8位7段码，2个LED，一个蜂鸣器三个按键从左到右为：Key3、key2、Key1，功能在不同模式下定义不同：Key3：模式键ModeKey，Key2：日历显示/设置选择键SetSelKey/启动与停止键StartPause，Key1：闹钟时间显示/设置键SetKey/显示保持键HoldReset8位7段码从左到右编号为8-1━┃┃━┃┃━━┃┃━┃┃━━┃┃━┃┃━━┃┃━┃┃━━┃┃━┃┃━━┃┃━┃┃━━┃┃━┃┃━━┃┃━┃┃━87654321两个LED分别指示闹钟与整点提示的开关状态。时钟输入后文再详细描述。（三）仿真实验条件要求试验板为EDAPro2K实验开发系统，仿真芯片用AlteraFLEX10K系列的EPF10K10LC84-4。由于实验板有限，大部分仿真在计算机上用maxplus或其它软件完成。当认为运行比较理想时，要按照后文的管脚定义，分配好管脚，编译成可下载的文件，到实验室申请做下载试验。要求能够实现主体功能，实验结果存在的问题，要在报告中分板其原因。二、详细功能及状态描述：总体分四种模式，由Key3(ModeKey)切换（一）时间显示模式：初始状态为24小时制显示当前时间：小时(8-7)/分(6-5)/秒(4-3)，2-1位不显。设置为12小时制时，第1位数码管显示上午/下午，上午显示A（AM），下午显示b（如果自己控制七段码也可以令其显示P）按Key2显示当前日历：年(8-7)/月(6-5)/日(4-3)/星期(1)，第2位不显。释放Key2还原显示；按Key1显示闹钟所定时间：24小时制下显示：小时(8-7)/分(6-5)，4-1位不显。12小时制下第1位数码管显示A/B。按Key3(ModeKey)进入下一模式：跑表模式（二）跑表模式状态机如下图所示：显示:小时(9-7)分钟(6-5)/秒(4-3)/百分秒(2-1)按Key3(ModeKey)进入下一模式：校时/校日历（三）校时模式按Key2进行调节对像选择小时Key2---分Key2---秒清0Key2---24/12小时切换Key2---年Key2---月Key2---日Key2---星期Key2--┐-┘按Key1一下，所调对像加1（或秒清0），长按Key1一秒钟以上，进入快调模式，所调对像每秒跳变8-10次。设置某一部分时，要断开相关的进位链，如：正在调分时，应忽略秒的进位脉冲，并且满60的进位也不能影响到后面的小时。按Key3(ModeKey)进入下一模式：闹钟设定（四）闹钟设定按Key2进行调节对像选择Key2Key2Key2Key2调小时----调分----闹钟开关-----整点提示开关-----调小时调节方式同上。按Key3(ModeKey)回到时间显示模式。三、参考模块设计：1.按键接口模块功能：1)消除按键的抖动，输出平稳的电平2)跟据不同模块的需要输出不同宽度的电平。如：输入到跑表的按键电平宽度应与状态机所用时钟的宽度相同。在设定时间和闹钟时，长按Key3需要输出快速调节脉冲。2.分频模块：由输入的时钟得到需要的各种基准频率，详细讨论见设计提示。3.模式切换模块：通过按键切换当前模式及设置选择。输入：ModeKey，SetSelKey输出：当前显示模式Mode，设置对像选择SetSel注意一点的是：当Mode变化时，SetSel应自动清0。4.计时/校时模块根据Mode、SetSel的不同，对各时间部分进行计数及设置输入：1Hz脉冲，Mode，SetSel，设置脉冲等输出：秒、分、小时、日、月、年和星期，并且小时需要24/12小时制两种输出5.设定闹钟模块：输入：Mode，SetSel，设置脉冲、当前时间等输出：所定时间，小时也需要24/12小时制两种输出6.秒表模块：输入：Mode，StartPauseKey，HoldResetKey输出：当前计时，Holding状态所保持的时间7.闹钟控制及波形产生模块到了设定时间，输出闹铃波形至蜂鸣器闹铃：1秒四个节拍：嘀-嘀-----（-表示无声，长度1/8秒）声音频率：1kHz左右整点提示音：四低一高，低音500Hz左右，高音1kHz左右，59分钟最后十秒声音为：—低—低—低—低—高，（—表示无声，长度1秒）8.显示控制模块控制不同模式下显示不同的内容，以及调节时闪烁显示。四、设计提示1.关于输入时钟试验板上可以输入4路时钟，并有多钟频率可以选择（详见后文实验板资源），问题：输入几路时钟？各多少赫兹？如何分频得到所需频率？提示：选择时钟源的原则是：输入的时钟源尽量少，内部分频器也要尽量少。先查看一下需要哪些时钟。计时的基准时钟：1Hz跑表的基准时钟：100Hz数字闪烁显示：2Hz闹铃/整点提示音：节拍控制4Hz/1Hz，及声音频率1kHz/500Hz左右快速调节：每秒8-10次七段码扫描显示：=200Hz（每位数字至少25Hz，8位扫描至少要200Hz的扫描频率）参考一：输入两路时钟源：8Hz和4096Hz8Hz经分频得到：4Hz，2Hz，1Hz4096Hz经分频得到音频与数码管的扫描脉冲：1024Hz，512Hz4096Hz经41分频得到：100Hz（误差小于0.1%）参考二：输入一路时钟源，由4096Hz分频得到全部所需时钟。2.关于星期星期的设定可以有自动和手动两种方案，自动是指根据当前年、月、日自动确定星期几；手动方案是需要自己设定好星期，然后星期与日历同步走。手动设计相对简单一些，自动则需要利用Altera芯片提供的EAB来实现ROM型的查找表。做查找表时要考虑EAB的资源有限，EPF10K10共3个EAB，每个2048字节。问题：一个EAB能放下几年的星期查找表？如果用一个表查找2000-2009年的星期，需要多大的查找表？太大怎么办？提示：可以试试用两个表分步查找。3．关于24/12小时制设计中时间与闹钟定时都需要小时在两钟模式下显示，设计不好就会增加很多资源的开销。有三种设计方案：1)两套计数器分别计24/12小时制的时间。2)只计数24制小时，用组合逻辑来转换24-123)用查找表来转换。注意的是两个地方都要转换，如何同享同一个查找表？24/12小时对照表24:0123456789101112131415131718192021222312:121234567891011121234567891011AMPM4．关于跑表的状态机设计问题：这是个什么类型的状态机？如何设计？提示：所需输出的变量Runing，Holding与状态有关，与输入无关，但需要控制的清0、刷新保持显示的值不仅与状态有关，与输入也有关。但是可以设计三个状态下状态变量S的值分别为：00/01/11（格雷码），则Runing对应S的低位，Holding对应S的高位，这样需要改变的只有清0与刷新保持值的信号，可以当作Merly状态机来设计。5．关于按键除抖动及固定宽度脉冲输出按键除抖动的原理是：当检测到一个高电平时，延时一段时间（如10ms）再检测，如果仍是高电平就表明按键确实按下了。释放按键也是同样的检测方法。固定宽度脉冲生成的原理是：在去除抖动的基础上，判断两个经过不同延时的按键信号，如果前一时钟检测到的是低电平，这一时钟检测到高电平，说明按键按下，输出一个时钟周期宽度的高电平。6.关于试验板的资源与仿真模式本实验中需要利用到的有时钟源、按键、数码管、LED和蜂鸣器。实验板上可以选择不同的模式来选择不同的输入输出方式，按使用说明书，本实验可选择模式三、七、八。后两种控制显示效果的能力强一些，做起来也相对复杂。先介绍一下几种模式下的引脚定义，比较优缺点，并给出相关设计提示。三种模式下时钟源、LED、蜂命器的定义完全相同：资源名称引脚名称引脚号功能时钟CLK031/4/16/64/1024/4096/16384/65536/12M/24M/48MCLK151/2/8CLK261024/4096/32768CLK3712M/24M/48MLEDD8/D7/D6/D581/80/79/78红/黄/绿/绿D4/D3/D2/D173/72/71/70绿/绿/黄/红蜂鸣器SPK83按键输入在三种模式下管脚号相同，但输入的电平模式不同资源名称引脚名称引脚号模式三模式七模式八按键K8/K7/K6/K519/18/17/16琴键电平乒乓电平乒乓电平K4/K3/K2/K111/10/9/8琴键电平乒乓电平2ms脉冲琴键电平是指按下时输出高电平，释放恢复低电平乒乓电平是指按一次变成高电平，再按一次变成低电平，如此反复数码管的输出在三钟模式下完全不同：在模式三，每个数码管有4个引脚作为8421码输入，经内部译码，显示0-F十六进制数；模式七：8个数码管并联成动态扫描显示器，共12个引脚，其中4个作为公用的显示数值输入端，8个为输出的选择端。也就是说，每一时刻8个选择端只有一个高电平，其余为低电平，输入的数值显示在高电平对应的数码管上。模式八：也是动态扫描显示，不同的有16个引脚，除8个为输出的选择端外，另八个对应七段码的每一段及小数点。几种模式相比较，模式三输出最简单，但不能控制数码管的亮与灭。模式七的显示比较实用一些，可以控制亮与灭，但不能点亮数码管的点号，缺少各时间部分的分隔号。模式八功能最强，除了可以点亮点号作为分隔符外，还可以显示非标准的字符，比如可以显示P来指示下午。虽然模式七、八能控制数码管的亮与灭，但不足之处是按键都没有符合需要的琴键电平，使用起来不太方便。只能选择乒乓电平，每次需要按两次来完成实际需要的一次按键。各人可以选做其中一种模式，建议使用模式七。各种模式参考设计如下：模式三：如果想控制某个数码管灭或闪烁，输出F与正常显示的数字相区别。(输出Z是无效的，默认输出是0)模式七/八：需要三组8位的状态码来控制分别控制扫描输出、亮与灭、闪烁。扫描码：ScanCode，由8位循环移位计数器还控制，扫描时钟频率200Hz。使能位：LEDEnable，为1的位对应用数码管才亮。闪烁位：Blink，为0的位闪动三组状态码与闪烁用的2Hz脉冲组合起来控制相应数码管的显示。三种模式下的数码管管脚定义：模式三：数码管号位管脚号数码管8B3/B2/B1/B069/67/66/65数码管7B3/B2/B1/B064/62/61/60数码管6B3/B2/B1/B059/58/54/53数码管5B3/B2/B1/B052/51/50/49数码管4B3/B2/B1/B048/47/39/38数码管3B3/B2/B1/B037/36/35/30数码管2B3/B2/B1/B029/28/27/25数码管1B3/B2/B1/B024/23/22/21模式七/八管脚名称管脚号动态数码选择8/7/6/5/4/3/2/159/58/54/53/52/51/50/49模式七/八显示数据B3/B2/B1/B064/62/61/60模式七a/b/c/d/e/f/g/p60/61/62/64/65/66/67/69模式八（注：以上各表的排列顺序与实验板上从左至右的循序一致）