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LogoSina:@Jennifer-tthFPGA设计实践报告[基于FPGA数字跑表]专业：电子信息工程班级：电子xxx班学生学号：xxxx学生姓名：xxxx指导教师：xxxx完成时间：2020年1月2日数字跑表设计一、设计概述FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。VerilogHDL语言是在C语言的基础上发展而来的。从语法结构上看，VerilogHDL继承和借鉴了C语言的很多语法，两者有许多的相似之处，但VerilogHDL作为一种硬件描述语言，还是有本质的区别。即可适用于综合的电路设计，也可胜任电路和系统的仿真；能在多层次上对所设计的系统加以描述，从开关级、门级，寄存器传输级到行为级等都可以担任，而且没规模限制；灵活多变的电路描述风格，可进行行为描述，也可进行结构描述等，应用十分的广泛。QuartusⅡ软件是Atlera的CPLD/FPGA集成开发软件，具有完善的可视化设计环境，并具有标准的EDA工具接口，基于QuartusⅡ进行EDA设计开发需要以下步骤:设计输入、编译、仿真、编程与验证等。本次通过VerilogHDL语言编写一个具有“百分秒、秒、分”计时功能的数字跑表，可以实现一个小时内精确至百分之一秒的计时器。数字跑表的显示可以通过编写数码管显示模块程序来实现，设计实现计数及进位的功能，通过几个always模块的设计实现一个特定用途的电子产品------数字跑表。二、设计功能数字跑表是生活中常见的一种电子产品，特别应用与体育比赛中。本数字跑表是通过按键来控制计时的开始和结束，一个是复位控制按键，用于设计跑表为初始零状态；另一个则是开始/停止控制按键，在复位控制无效的情况下，按一下开始/停止键则计时器开始计时，再按一下则暂停计时，再按一下则继续计时。下面是其功能图：具体性能如下：（1）跑表的计时范围为0.01s～59min59.99s，计时精度为10ms；（2）具有异步复位清零、启动、计时和暂停功能；（3）输入时钟频率为100Hz；（4）要求数字跑表的输出能够直接驱动共阴极7段数码管显示.实现要求：（1）分析功能要求，划分功能模块；（2）编写各模块的VerilogHDL语言的设计程序；（3）在QuartusⅡ软件上完成设计和仿真；（4）根据实验室FPGA芯片，将设计生成配置文件，然后将配置文件下载到实验装置上运行，操作实验装置上设定的功能按键，验证设计功能。三、设计方案本次设计的跑表首先要从最低位的百分秒计数器开始，按照系统时钟进行计数。百分位计数到100后向秒计数器进位，秒计数器以百分秒计数器的进位位为时钟进行计数。秒计数到60后向分计数器进位，分计数器以秒计数器的进位位为时钟进行计数。数字跑表巧妙地运用进位位作为时钟来减少了计数的位数。数字跑表提供了清零位CLR和暂停/开始位PAUSE，百分秒的时钟信号可以通过系统时钟分频提供。分频至100Hz，即可实现时间计数。具体程序设计分为两个大模块。主要模块说明功能的分配、内部功能块和对外接口关系，功能模块具体控制实际的逻辑功能和具体的实现。（一）主模块在主程序模块中包括两部分，第一部分是VerilogHDL程序的逻辑结构。用if...else以及进位来实现百分秒计满到99进位到秒，当秒满59时进位到分，分满59以后归0.第二部分是LDE显示部分。（二）时钟模块第二大模块是时钟分频模块，本实验利用开发板上50MHz的时钟频率，通过分频程序将其分成所要求的100Hz。通过计算得到需要利用500000分之一的分频，但是分频后快半秒，时钟是翻转后的一个高电平和一个低电平所以，最后分频是250000分之一分频。这样就刚好是正常的时间跳变速度。四、程序分析下面是程序的主要流程图：/*信号定义CLK：时钟信号；CLR：异步复位信号；分高位分低位秒高位秒低位百分秒高位百分秒低位MHMLSHSLMSHMSLPAUSE：暂停/启动信号；*/moduleh(clk,clr,pause,msh,msl,sh,sl,mh,ml,led1,led2,led3,led4,led5,led6);inputclk,clr;inputpause;output[6:0]led1;output[6:0]led2;output[6:0]led3;output[6:0]led4;output[6:0]led5;output[6:0]led6;output[3:0]msh,msl,sh,sl,mh,ml;reg[6:0]led1;reg[6:0]led2;reg[6:0]led3;reg[6:0]led4;reg[6:0]led5;reg[6:0]led6;reg[3:0]msh,msl,sh,sl,mh,ml;regcn1,cn2;//cn1为百分秒向秒的进位，cn2为秒向分的进位//百分秒计数进程，每计满100，cn1产生一个进位1always@(posedgeclkorposedgeclr)beginif(clr)//异步复位begin{msh,msl}=8'h00;//从00开始计数cn1=0;endelseif(!pause)//PAUSE为0时正常计数，为1时暂时计数beginif(msl==9)beginmsl=0;//低位百分秒计数到10是归零if(msh==9)beginmsh=0;//高位百分秒计数到10是归零cn1=1;//CN1触发进位endelse//低位计数到10，高位未计数到10时，高位计数msh=msh+1;endelsebegin//低位计数未到10时，继续计数msl=msl+1;cn1=0;//低位未计数到10时，CN1不产生进位endendend//秒计数模块，每计数满60，CN2产生一个进位always@(posedgecn1orposedgeclr)beginif(clr)begin//异步复位{sh,sl}=8'h00;cn2=0;endelseif(sl==9)beginsl=0;//低位秒计数到10，低位归零if(sh==5)beginsh=0;//低位计数到10，高位计数到6时,高位秒归零cn2=1;//cn2触发进位endelsesh=sh+1;//低位计数到10，高位未到6时，低位计数endelsebeginsl=sl+1;//低位未计数到10，低位计数cn2=0;//低位未计数到10时，CN2不产生进位endend//分钟计数模块，每计满60，系统自动清0always@(posedgecn2orposedgeclr)beginif(clr)begin//异步复位{mh,ml}=8'h00;endelseif(ml==9)beginml=0;//低位分计数到10时，低位归零if(mh==5)mh=0;//低位计数到10，高位计数到6时，高位归零elsemh=mh+1;//低位计数到10，高位未计数到6时，高位计数endelseml=ml+1;//低位计数未到10时，低位计数end//led显示模块always@(msl[3:0])begincase(msl[3:0])//利用case语句控制显示低位百分秒的0~90:led1='b1000000;1:led1='b1111001;2:led1='b0100100;3:led1='b0110000;4:led1='b0011001;5:led1='b0010010;6:led1='b0000010;7:led1='b1111000;8:led1='b0000000;9:led1='b0010000;endcaseendalways@(msh[3:0])begincase(msh[3:0])//利用case语句控制显示高位百分秒的0~90:led2='b1000000;1:led2='b1111001;2:led2='b0100100;3:led2='b0110000;4:led2='b0011001;5:led2='b0010010;6:led2='b0000010;7:led2='b1111000;8:led2='b0000000;9:led2='b0010000;endcaseendalways@(sl[3:0])begincase(sl[3:0])//利用case语句控制显示低位秒的0~90:led3='b1000000;1:led3='b1111001;2:led3='b0100100;3:led3='b0110000;4:led3='b0011001;5:led3='b0010010;6:led3='b0000010;7:led3='b1111000;8:led3='b0000000;9:led3='b0010000;endcaseendalways@(sh[3:0])begincase(sh[3:0])//利用case语句控制显示高位秒的0~50:led4='b1000000;1:led4='b1111001;2:led4='b0100100;3:led4='b0110000;4:led4='b0011001;5:led4='b0010010;endcaseendalways@(ml[3:0])begincase(ml[3:0])//利用case语句控制显示低位分的0~90:led5='b1000000;1:led5='b1111001;2:led5='b0100100;3:led5='b0110000;4:led5='b0011001;5:led5='b0010010;6:led5='b0000010;7:led5='b1111000;8:led5='b0000000;9:led5='b0010000;endcaseendalways@(mh[3:0])begincase(mh[3:0])//利用case语句控制显示高位分的0~50:led6='b1000000;1:led6='b1111001;2:led6='b0100100;3:led6='b0110000;4:led6='b0011001;5:led6='b0010010;endcaseendendmodulemoduleled(ledin,ledout);//七段译码模块input[3:0]ledin;output[6:0]ledout;reg[6:0]ledout;always@(ledin)//case语句进行译码begincase(ledin)//分别对应数码管的a--g4'd0:ledout=7'b11000000;4'd1:ledout=7'b11111001;4'd2:ledout=7'b10100100;4'd3:ledout=7'b10110000;4'd4:ledout=7'b10011001;4'd5:ledout=7'b10010010;4'd6:ledout=7'b10000010;4'd7:ledout=7'b11111000;4'd8:ledout=7'b10000000;4'd9:ledout=7'b10010000;default:ledout=7'bx;endcaseendendmodule分频模块moduleclk(f50m,f100);inputf50m;outputf100;regf100;reg[31:0]h;always@(posedgef50m)beginif(h==250000)//对计数器进行判断，确定f100信号是否反转beginh=0;//不计数f100=~f100;endelse//未计数到250000时，继续计数h=h+1;endendmodule五、仿真实现（一）系统的功能模块原理图：（二）仿真图六、硬件实现（一）引脚图（二）硬件图图中拨动开关右起第一个是复位功能键，第二个是