基于fpga的数字电子时钟设计

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1、42摘要本设计为一个多功能的数字钟，具有年、月、日、时、分、秒计数显示功能，以24小时循环计数；具有校对功能以及整点报时功能。本设计采用EDA技术，以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段设计文件，采用自顶向下的设计方法，由各个基本模块共同构建了一个基于FPGA的数字钟。系统主芯片采用EP1K100QC208-3，由时钟模块、控制模块、计时模块、数据译码模块、显示以及报时模块组成。经编译和仿真所设计的程序，在可编程逻辑器件上下载验证，本系统能够完成年、月、日和时、分、秒的分别显示，由按键输入进行数字钟的校时、清零、启停功能。4242目录1绪论11.

2、1选题背景11.1.1课题相关技术的发展21.1.2课题研究的必要性21.2课题研究的内容32FPGA简介42.1FPGA概述42.2FPGA基本结构42.3FPGA系统设计流程72.4FPGA开发编程原理83数字钟总体设计方案103.1数字钟的构成103.2数字钟的工作原理114单元电路设计134.1分频模块电路设计与实现134.2校时控制模块电路设计与实现144.2.1键盘接口电路原理144.2.2键盘接口的VHDL描述154.3计数模块设计与实现234.3.1秒计数模块234.3.2日计数模块254.3.3月计数和年计数模块284.4动态扫描

3、及显示电路设计与实现304.4.1动态扫描模块304.4.2显示模块315实验结论与研究展望325.1实验结论325.2研究展望3342致谢3442421绪论现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用，而且是产品的性能越来越强，复杂程度越来越高，更新步伐越来越快。支撑信息电子产品高速发展的基础就是微电子制造工艺水平的提高和电子产品设计开发技术的发展。前者以微细加工技术为代表，而后者的代表就是电子设计自动化（electronicdesignautomatic,EDA）技术。本设计采用的VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行

4、为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计；支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述、覆盖面广、抽象能力强，因此在实际应用中越来越广泛。ASIC是专用的系统集成电路，是一种带有逻辑处理的加速处理器。而FPGA是特殊的ASIC芯片，与其他的ASIC芯片相比，它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检测等优点。在控制系统中，键盘是常用的人机交换接口，当所设置的功能键或数字键按下的时候，系统应该完成该键所设置的功能。因此，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。根据键盘的结构不同，采用不同的编码方

5、法。但无论有无编码以及采用什么样的编码，最后都要转换成为相应的键值，以实现按键功能程序的转移。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.1选题背景本节将从FPGA42嵌入式应用开发技术与数字钟技术发展的客观实际出发，通过对该技术发展状况的了解，以及课题本身的需要，指出研究基于FPGA的芯片系统与设计——数字钟的设计与实现的必要性。1.

6、1.1课题相关技术的发展当今电子产品正向功能多元化,体积最小化,功耗最低化的方向发展。它与传统的电子产品在设计上的显著区别师大量使用大规模可编程逻辑器件，使产品的性能提高，体积缩小，功耗降低.同时广泛运用现代计算机技术，提高产品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期。EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。EDA技术，技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计的

7、电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑映射，编程下载等工作。最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。本设计利用VHDL硬件描述语言结合可编程逻辑器件进行的，并通过数码管动态显示计时结果。数字钟可以由各种技术实现，如单片机等.利用可编程逻辑器件具有其他方式没有的特点，它具有易学，方便，新颖，有趣，直观，设计与实验项目成功率高，理论与实践结合紧密，体积小，容量大，I/O口丰富，易编程和加密等特点，并且它还具有开放的界面，丰富的设计库，模块化的工具以及LPM定制等优良性能，应用非常方便。因此，本设计采用可编程逻辑器件实现。1.1.

8、2课题研究的必要性现在是一个知识爆炸的新时代。新42产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电