【verilog】多功能数字钟的设计

实验目的

1. 掌握数字钟的工作原理。
2. 掌握计数器级联构成更大模值计数器的方法。 
3. 能用verilog描述简单的时序逻辑电路。

实验原理

        多功能数字钟应该具有的基本功能有：显示时－分－秒、整点报时、小时和分钟可调等。首先要知道钟表的工作机理，整个钟表的工作应该是在1Hz信号的作用下进行，这样每来一个时钟信号，秒增加1秒，当秒从59秒跳转到00秒时，分钟增加1分，同时当分钟从59分跳转到00分时，小时增加1小时，但是需要注意的是，小时的范围是从0～23时。

        在实验中为了显示的方便，由于分钟和秒钟显示的范围都是从0～59，所以可以用一个3位的二进制码显示十位，用一个四位的二进制码（BCD码）显示个位，对于小时因为它的范围是从0～23，所以可以用一个2位的二进制码显示十位，用4位二进制码（BCD码）显示个位。

        实验中由于七段数码管是动态扫描的方式显示，虽然时钟需要的是1Hz时钟信号，但是扫描却需要一个频率比较高的时钟信号。因此，可以输入一个高频的时钟信号（系统板上的10KHz时钟信号或者核心板上的50M时钟信号），并通过分频得到准确的1Hz时钟信号。

        对于整点报时功能，根据系统的硬件结构自由发挥来设计。可以设计为当进行整点的倒计时5秒时，让LED来闪烁进行整点报时的提示。也可以使用led点阵来显示整点报时。或者让数码管闪烁来进行整点报时。

实验内容

        本实验的任务就是设计一个多功能数字钟，要求显示格式为“小时－分钟－秒钟”，整点报时，报时时间为5秒，即从整点前5秒钟开始进行报时提示，LED、LED点阵或者数码管开始闪烁，过整点后，停止闪烁。时钟选择系统板时钟模块的10KHz或者核心板的50MHz时钟信号。要得到1Hz时钟信号，必须对系统时钟进行104次或者5*107次分频。调整时间的的按键用按键模块的S1和S2，S1调节小时，每按下一次，小时增加一个小时，S2调整分钟，每按下一次，分钟增加一分钟。另外用S12按键作为系统时钟复位，复位后全部显示00－00－00。

        实验箱中用到的数字时钟模块、按键开关、LED、数码管与FPGA的接口电路，以及数字时钟源、按键开关、LED、数码管与FPGA的管脚连接可参考数字逻辑EDA实验箱《CVT-SOPC-IV用户手册》。

设计思路

        把电路分成时间计数器模块、数码管显示模块和状态机控制器模块。状态机控制器模块根据按键输入和时间计数器是否差5秒整点，从正常计时状态转换到调整时间状态或者整点报时状态，并发出对应的控制信号，完成调整时间计数器计数值或者整点报时的功能。数码管显示模块用于显示当前时间或者调整时间，可使用实验三中设计完成的模块。时间计数器由秒、分、时三个计数器级联构成，对1Hz的时钟进行计数，分别产生秒、分、时的计数值。

实验过程

1. 打开QUARTUSII软件，新建一个工程。
2. 建完工程之后，再新建一个verilog File，打开verilog编辑器对话框。
3. 按照实验原理和自己的想法，在verilog编辑窗口编写verilog程序，用户可参照光盘中提供的示例程序。
4. 编写完verilog程序后，保存起来。方法同实验一。
5. 对自己编写的verilog程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改，直到完全通过编译和仿真。
6. 编译仿真无误后，依照按键开关、数码管、LED灯与FPGA的管脚连接表或参照附录进行管脚分配。表4-1是示例程序的管脚分配表。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。

7. 用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实验结果是否与自己的编程思想一致。

管脚分配

Verilog代码

module YY911(Clk,Rst,S1,S2,Display,Sel,Spk);
    input Clk,Rst,S1,S2;
    output Spk;
    output[2:0] Sel;
    output[6:0] Display;
    reg Spk;
    reg[2:0] Sel;
    reg[6:0] Display;
    reg[13:0]Clk_Count1;
    reg Clk_1HZ;
    reg[2:0]Music_Count;
    reg[3:0]SECL,SECH;
    reg[3:0]MINL,MINH;
    reg[3:0]HOURL,HOURH;
    reg[3:0]Disp_Temp;
    always@(posedge Clk)
        begin
            if(Clk_Count1==9999)
                begin
                    Clk_Count1<=0;
                    Clk_1HZ<=~Clk_1HZ;
                end
            else 
                Clk_Count1<=Clk_Count1+1;
            end

    always@(posedge Clk_1HZ or negedge Rst)
        if(!Rst)
            begin
                SECL<=0;
                SECH<=0;
                MINL<=0;
                MINH<=0;
                HOURL<=0;
                HOURH<=0;
            end
        else
            begin
                if(!S1)
                    begin
                        if(HOURL==9)
                            begin
                                HOURL<=0;
                                HOURH<=HOURH+1;
                            end
                        else
                            begin
                                if(HOURH==2&&HOURL==3)
                                    begin
                                        HOURL<=0;
                                        HOURH<=0;
                                    end
                                else
                                    HOURL<=HOURL+1;
                            end
                    end
                else if(!S2)
                    begin
                        if(MINL==9)
                            begin
                                MINL<=0;
                                if(MINH==5)MINH<=0;
                                else MINH<=MINH+1;
                            end
                        else MINL<=MINL+1;
                    end
                else if(SECL==9)
                    begin
                        SECL<=0;
                        if(SECH==5)
                            begin
                                SECH<=0;
                                if(MINL==9)
                                    begin
                                        MINL<=0;
                                        if(MINH==5)
                                            begin
                                                MINH<=0;
                                                if(HOURL==9)
                                                    begin
                                                        HOURL<=0;
                                                        HOURH<=HOURH+1;
                                                    end
                                        else if(HOURH==2&&HOURL==3)
                                            begin
                                                HOURL<=0;
                                                HOURH<=0;
                                            end
                                        else HOURL<=HOURL+1;
                                    end
                                else MINH<=MINH+1;
                            end
                        else MINL<=MINL+1;
                    end
                else SECH<=SECH+1;
            end
        else SECL<=SECL+1;
    end

always@(posedge Clk)
    begin
        Music_Count<=Music_Count+1;
        Sel<=Sel+1;
        if(MINH==5&&MINL==9&&SECH==5)
            begin
                if((SECL%2)==0)
                    Spk<=Music_Count[2];
                else Spk<=0;
            end
        else if(MINH==0&&MINL==0&&SECH==0&&SECL==0)
            Spk<=Music_Count[1];
        else Spk<=0;
    end

always@(Sel)
    begin
        case(Sel)
            3'b000:Disp_Temp=HOURH;
            3'b001:Disp_Temp=HOURH;
            3'b010:Disp_Temp=4'b1010;
            3'b011:Disp_Temp=MINH;
            3'b100:Disp_Temp=MINL;
            3'b101:Disp_Temp=4'b1010;
            3'b110:Disp_Temp=SECH;
            3'b111:Disp_Temp=SECL;
        endcase
    end

always@(Disp_Temp)
    begin
        case(Disp_Temp)
            4'b0000:Display=7'b0111111;
            4'b0001:Display=7'b0000110;
            4'b0010:Display=7'b1011011;
            4'b0011:Display=7'b1001111;
            4'b0100:Display=7'b1100110;
            4'b0101:Display=7'b1101101;
            4'b0110:Display=7'b0111101;
            4'b0111:Display=7'b0000111;
            4'b1000:Display=7'b1111111;
            4'b1001:Display=7'b1101111;
            4'b1010:Display=7'b1000000;
            default:Display=7'b0000000;
        endcase
    end
endmodule

仿真结果

源码获取

多功能数字钟

实验总结

在做本次实验的过程中，我们了解了数码管的工作原理，掌握了计数器级联构成更大模值计数器的方法。虽然能够实现基本的功能，但是一开始的编译一直不能成功，后来请教同学，终于把正确的Verilog代码改了出来，这个过程是艰辛的，也是充满成就感的，在以后的学习过程中我们更应该注重平时的练习，巩固知识，这样才能将这种硬件课程学习的更好。实验太难，一个人太难完成，得依靠团队的力量来完成。