基于FPGA的电子钟设计

长春理工大学毕业论文--I目录第一章绪论.............................................................................................................1第二章可编程逻辑器件概述及设计方案...............................................................22.1CPLD/FPGA概述及VHDL语言的特点..............................................................22.2可编程逻辑器件的分类和发展历程.....................................................................42.3EPF10K10LC84-4芯片简介..................................................................................52.4电子时钟的设计方案............................................................................................6第三章系统电路设计...............................................................................................73.1总体设计..............................................................................................................73.2显示电路设计......................................................................................................83.2.1分频器电路................................................................................................103.2.2扫描电路电路.............................................................................................113.2.3BCD码多路选择器....................................................................................123.2.4BCD译码器................................................................................................133.2.5位选码电路................................................................................................153.3电子时钟计数器电路设计..................................................................................153.3.1秒和分计数器设计....................................................................................163.3.2小时计数器设计........................................................................................17总结.....................................................................................................................23参考文献.....................................................................................................................24致谢......................................................................................错误!未定义书签。长春理工大学毕业论文--1第一章绪论时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能更进一步，产品更新换代的节奏也越来越快。现代电子设计技术的核心是EDA(ElectronicDesignAutomation)技术。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)为系统逻辑描述手段完成的设计文件。20世纪80年代末，出现了FPGA（FieldProgrammableGateArray）,CAE和CAD技术的应用更为广泛，它们在PCB设计的原理图输入，自动布局布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔综合和化简等方面担任了重要的角色，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，VHDL是作为电子设计主流硬件的描述语言。本论文就是应用VHDL语言来实现秒表的电路设计。VHDL语言是标准硬件描述语言，它的特点就是能形式化抽象表示电路结构及行为，支持逻辑设计中层次领域的描述，借用了高级语言的精巧结构简化电路描述，具有电路模拟与验证及保证设计的正确性，支持电路由高层向低层的综合变换，便于文档管理，易于理解和设计重用。本课题选用了Altera公司的FPGA产品并以其专门开发软件为平台，运用VHDL硬件描述语言设计一个电子时钟。CPLD/FPGA以高集成度、高速度和高可靠性而著称，运用FPGA进行产品开发，其开发周期短，投资风险小，产品上市速度快，决定其有着无比的市场前景，是现代EDA技术中广泛运用的硬件。该系统通过VHDL语言和原理图混合应用的方式来实现电子时钟的设计，并下载到硬件之中进行验证。我们将电子时钟的设计分成了四大模块，分别是时间计数器模块；键盘控制模块；显示电路模块和时间调整模块。本次设计主要让我们掌握CPLD/FPGA的研发过程，掌握VHDL语言的编程思想及过程，以及电子时钟基本功能和实现的基本原理。长春理工大学毕业论文--2第二章可编程逻辑器件概述及设计方案可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogicDevice）是20世纪70年代发展起来的一种新的集成器件。PLD是大规模集成电路技术发展的产物，是一种半定制的集成电路，结合计算机的软件技术（EDA技术）可以快速、方便地构建数字系统。2.1CPLD/FPGA概述及VHDL语言的特点1、CPLD/FPGA概述不论是简单的还是复杂的数字系统都是由基本门来构成的，如与门、或门、非门、传输门等。人们发现，不是所有的基本门都是必须的，如用与非门单一基本门就可以构成其他的基本门。任何的组合逻辑函数都可以化为“与—或”表达式。即任何的组合电路（需要提供输入信号的非信号），可以用“与门—或门”二级电路实现。同样，任何时序电路都可由组合电路加上存储元件，即锁存器、触发器、RAM构成的。由此人们提出了一种可编程电路结构，即乘积项逻辑阵列结构。当然，“与—或”结构组成的PLD器件的功能比较简单。此后，人们又从ROM工作原理、地址信号与输出数据间的关系以及ASIC的门阵列法中获得启发，构造另外一种可编程的逻辑结构，那就是SRAM查表的方式，并使用多个查找表构成了一个查表阵列，称为可编程门阵列（ProgrammableGateArray）。可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。在这两类可编程逻辑器件中，FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。现在最新的FPGA器件，如XilinxVirtex™系列中的部分器件，可提供八百万系统门（相对逻辑密度）。这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器（如IBMPowerPC）、大容量存储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件（device-to-device）信号技术。FPGA被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储，以及到仪器仪表、电信和数字信号处理等。与此相比，CPLD提供的逻辑资源少得多-最高约1万门。但是，CPLD提供了非常好的可预测性，因此对于关键的控制应用非常理想。而且如XilinxCoolRunner™系列CPLD器件需要的功耗极低，并且价格低廉，从而使其对于成本敏感的、电池供电的便携式应用（如移动电话和数字手持助理）非常理想。FPGA基于SRAM的架构，集成度高，以LE（包括查找表、触发器及其他）为基本单元，有内嵌Memory、DSP等。具有易挥发性，需要有上电加载过程。长春理工大学毕业论文--3在实现复杂算法、队列调度、数据处理、高性能设计、大容量缓存设计等领域中有广泛应用，如AlteraStratix系列。CPLD基于EEPROM工艺，集成度低，以MicroCell（包括组合部分与寄存器）为基本单元。具有非挥发特性，可以重复写入。在粘合逻辑、地址译码、简单控制、FPGA加载等设计中有广泛应用，如AlteraMAX3000A系列。详细比较:尽管FPGA和CPLD有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异，具有各自的特点：①CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA更适合于完成时序逻辑。换句话说，FPGA更适合于触发器丰富的结构，而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。②CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。③在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。④FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。⑤CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用EPROM或FASTFLASH技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂。⑥CPLD的速度比FPGA快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程，并且CLB之间采用分布式互联，而CPLD是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的。⑦在编程方式上,CPLD主要是基于EPROM或FLASH存储器编程,编程次数可达