基于verilog的数字秒表的设计实现

基于verilog的数字秒表的设计实现数字秒表的设计实现团队成员：董婷詹磊胡鹏一、测试要求1.有源晶振频率：24MHZ2.测试计时范围：00’00”00~59’59”99，显示的最长时间为59分59秒3.数字秒表的计时精度是10ms4.显示工作方式：a、用八位数码管显示读数b、用两个按钮开关（一个按钮使秒表复位，另一个按钮控制秒表的启动/暂停）二、设计要求1.设计出符合设计要求的解决方案2.利用软件对各单元电路及整体电路进行仿真3.在开发板上实现设计5.撰写设计报告三、秒表功能键1、power：秒表电源键2、Reset：秒表复位清零键3、run/stop：秒表启动/停止键四、实验原理1.实验设计原理（1）秒表的逻辑结构较简单，它主要由十进制计数器、六进制计数器、分频器、数据选择器、和显示译码器等组成。在整个秒表中最关键的是如何获得一个精确的100HZ计时脉冲，除此之外，整个秒表还需有一个启动信号和一个清零信号，以便秒表能随意停止、启动以及清零复位。（2）秒表有共有8个输出显示，其中6个显示输出数据，分别为百分之一秒、十分之一秒、秒、十秒、分、十分，所以共有6个计数器与之相对应；另外两个为间隔符，显示‘-’。8个计数器的输出全都为BCD码输出，这样便与同显示译码器连接。（3）可定义一个24位二进制的寄存器hour用于存放8个计数器的输出，寄存器从高位到低位每连续4位为一组，分别存放百分之一秒、十分之一秒、间隔符、秒、十秒、间隔符、分、十分。由频率信号输出端输出频率为100HZ的时钟信号，输入到百分之一秒模块的时钟端clk，百分之一秒模块为100进制的计数器，当计数到“1001”时，百分之一秒模块清零，同时十分之一秒模块加1；十分之一秒模块也为100进制的计数器，当计数到“1001”时，十分之一秒模块清零，同时秒模块加1；以此类推。直到分模块计数到59进59。（4）为了消除按键消抖问题，定义寄存器key-inner来存储按键key的输入信号，key-flag作为启动/暂停的转换标志，key-inner[0]出现一个下降沿时，key-flag取反一次，当key-flag为0时计数器启动，1时计数器暂停，当key-flag为1同时key-inner[1]为9时，计数器清零。（5）定义18位寄存器count用于存放分频和扫描用的计数值。24MHZ的时钟信号240000分频，得到100HZ的时钟信号，而计数器已24MHZ的时钟信号218分频扫描8个七段译码器。2.实验设计方案利用一块芯片完成除时钟源，按键和显示器之外的所有数字电路功能。所有数字逻辑功能都在CPLD器件上用Verilog语言实现。这样设计具有体积小，设计周期短，调试方便，故障率地和修改升级容易等特点，本设计采用依次进行消抖、分频、数码管动态扫描、显示（译码）和计数流水线的设计方法。3.实验原理框图秒表原理框图扫描显示分频24MhzReg[1:0]]计数100hz五、软件设计与仿真1、秒表计数单位与对应输出信号hour[3:0]百分之一秒hour[7:4]十分之一秒hour[11:8]秒Hour[15:12]十秒Hour[19:16]分hour[23:20]十分2、秒表总程序：moduledapeng(clk_24M,dig,seg,ena,key);input[1:0]key;inputclk_24M;//输入频率为24MHZ的时钟output[2:0]dig;//数码管位选output[7:0]seg;//数码管段选outputena;//3-8译码器使能reg[2:0]dig,count3b;reg[7:0]seg;reg[3:0]disp_dat;//定义显示数据寄存器reg[18:0]count;//定义计数寄存器reg[23:0]hour;//定义现在时刻寄存器regclk100;//24MHZ的时钟信号240000分频，得到100HZ的时钟信号regkey_flag;//启动/暂停的切换标志reg[1:0]key_inner;assignena=0;//按键输入缓存always@(posedgecount[16])beginkey_inner=key;endalways@(negedgekey_inner[0])beginkey_flag=~key_flag;end//0.01秒信号产生部分，产生100HZ的时钟信号always@(posedgeclk_24M)beginif(count==119999)beginclk100=~clk100;count=0;endelsecount=count+1'b1;end//数码管动态扫描显示部分always@(posedgecount[10])begincount3b=count3b+1;case(count3b)3'd7:disp_dat=hour[3:0];3'd6:disp_dat=hour[7:4];3'd5:disp_dat=4'ha;3'd4:disp_dat=hour[11:8];3'd3:disp_dat=hour[15:12];3'd2:disp_dat=4'ha;3'd1:disp_dat=hour[19:16];3'd0:disp_dat=hour[23:20];default:disp_dat=4'bxxxx;endcasedig=count3b;endalways@(disp_dat)begincase(disp_dat)4'h0:seg=8'hc0;4'h1:seg=8'hf9;4'h2:seg=8'ha4;4'h3:seg=8'hb0;4'h4:seg=8'h99;4'h5:seg=8'h92;4'h6:seg=8'h82;4'h7:seg=8'hf8;4'h8:seg=8'h80;4'h9:seg=8'h90;4'ha:seg=8'hbf;default:seg=8'bxxxxxxxx;endcaseend//计时处理部分always@(posedgeclk100)//计时处理beginif(!key_inner[1]&&key_flag==1)//判断是否复位键beginhour=24'h0;endelseif(!key_flag)beginhour[3:0]=hour[3:0]+1;if(hour[3:0]==4'ha)beginhour[3:0]=4'h0;hour[7:4]=hour[7:4]+1;if(hour[7:4]==4'ha)beginhour[7:4]=4'h0;hour[11:8]=hour[11:8]+1;if(hour[11:8]==4'ha)beginhour[11:8]=4'h0;hour[15:12]=hour[15:12]+1;if(hour[15:12]==4'h6)beginhour[15:12]=4'h0;hour[19:16]=hour[19:16]+1;if(hour[19:16]==4'ha)beginhour[19:16]=4'h0;hour[23:20]=hour[23:20]+1;endif(hour[23:20]==4'h6)hour[23:20]=4'h0;endendendendendendendmodule2.1计数时的仿真波形2.2清零时的仿真波形2.3暂停时的仿真波形3.电路原理图的生成4.电路图的生成六．硬件实现1.用QUARTUSII软件对程序进行编译，并下载到硬件FPGA板子上进行硬件实现。板子上6个计数器与百分之一秒、十分之一秒、秒、十秒、分、十分相对应，并且开始00’00”00~59’59”99的计数，用两个数码管显示”-”，用于分与十秒的间隔，十分之一秒与秒的间隔。2.Run/stop和Reset功能键由FPGA板子上的开关栏的key[0]和key[1]代替。按一下key[0]键，数码管上的时间停止计时，然后按下key[1]键，数码管上时间清零复位为00’00”00；接着再按一下key[0]键，数码管重新开始计时。七.关于老师提问1.定义18位寄存器reg[18:0]count;用于存放分频和扫描用的计数值。原因是24MHZ的时钟信号240000分频，得到100HZ的时钟信号，我们程序采用计数满后取反的原理，所以计数器最多需计数240000，182=262144，故而定义count为reg[18:0]。2.按键消抖动部分always@(posedgecount[16])，所给时钟上升沿有效，每次上升沿读取按键值赋给寄存器key-inner来存储按键key的输入信号，key-flag作为启动/暂停的转换标志，key-inner[0]出现一个下降沿时，key-flag取反一次，当key-flag为0时计数器启动，1时计数器暂停。24000000216=0.00273s=30ms，所以在计时精度为0.01s内，连续检测4次就是在0ms,30ms,60ms,90ms处都检测到0，才算是有按键输入。其他情况均为抖动。八．心得体会经过这次的实验，让我们对VerilogHDL语言掌握程度加深了，对QuartusII这个软件的使用也相对开始来说更加熟悉，经过实验，对课上的知识有了进一步的熟悉。当然，试验期间也存在许多问题，刚开始写程序时常因VerilogHDL语言的不熟悉，常出现综合错误的问题，有时程序虽然编译没有错误，但下到板子上时，却显示有误，还需要经过多次的调试。总的来说，只要仔细检查、并经常使用该语言后，就会在很大程度上避免诸如语法错误等非逻辑问题。在定义寄存器用于计数功能时，最好先赋初值。对于复杂的逻辑功能的电路实现，可以采用分模块的方法，以便检查程序的正误，而对于功能较简单的电路设计，只需要一个模块，从而避免在模块间连接时出现错误。对于需要存放的比较大数据，最好直接采用整型，而不用定义寄存器，从而避免数据溢出。通过此次的实验，我们还认识到：写程序时应该养成良好的书写习惯，如在关键处加备注；定义变量、工程名、文件名时应用能“望词生义”的效果；嵌套程序应对齐书写等。在小组成员的共同努力下我们完成了实验的要求，对于我们来说，此次实验的收获比在课上学到的知识更加深刻有意义，同时，非常感谢杨越老师在实验课上对我们提出问题的耐心指导与解答！