基于FPGA的数字钟控制器设计

Abstract:This design uses EDA technology, using hardware description language VHDL description of the means for the system logic design file to Quartus II design software platform for FPGA-based design digital clock circuits, program design entry, compilation and simulation operation, the clock by the control module, the timing module, data decoding module, display and timekeeping module on FPGA programmable logic device testing system to achieve the functional design requirements, the design of a multi-functional digital clock, using thousands divider 1HZ clock source, with hours, minutes, seconds count display features a 24-hour cycle time and has cleared, adjust the hours, minutes, hourly chime and alarm function.The design of the circuit is simple, but fully functional, FPGA design changes is very convenient, just by changing the appropriate internal procedures designed to achieve functional modules can be some basic gates. According to need can add a calendar, temperature display and other functions, so the design has a strong outlook upgrade.
2.1
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。EDA技术的概念EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。
四川理工学院毕业设计论文
基于FPGA的数字钟控制器设计
学生：史凯
学号：10021050117
专业：电子信息科学与技术
班级：2010.1
指导教师：徐金龙
四川理工学院自动化与电子信息学院
二O一四年六月
基于FPGA的数字钟控制器设计
摘要：本设计采用EDA技术，利用硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段设计电路，以Quartus II软件为设计平台，进行基于FPGA的数字时钟电路的方案设计、程序设计输入、编译和仿真。该时钟由分频模块、键盘输入模块、控制模块、计时模块、译码显示模块、闹铃模块以及报时模块组成。在可编程逻辑器件FPGA上实现电路设计，该，以24小时循环计时并且具有清零、调节小时、分钟、整点报时和闹铃功能。本设计的电路简单，但功能齐全，FPGA的设计改动非常方便，只用改变程序设计出相应的内部模块就可以实现一些基本门电路的功能。根据需要可以增添日历、温度显示等功能，所以本设计具有很强的升级前景。
FPGA是一种集成电路芯片，它将各种功能集成到一块硅片上并且内含完善的微型计算机系统。FPGA的优点有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等，所以本设计讨论的电子时钟系统就是利用FPGA制成。
电子时钟与机械时钟相比具有很多优越性。首先，其主要特点是直观性，电子时钟可以通过数字显示反映出当前的时间。其次在使用寿命方面，因为电子钟不是机械驱动，所以使用寿命更长。然后在准确度方面，由于应用了电子集成电路和石英晶体振荡器，数字时钟的精准度远远超过了老式石英钟的石英机芯驱动。最后，电子时钟还能大大扩展老式钟表的功能，在准确显示时间得基础上，还可借助FPGA实现诸如闹铃、定时、自动报警等功能。
关键词：数字时钟；EDA；VHDL；FPGA；可编程逻辑器件
Design of digital clock controller based on FPGA
SHI Kai
(SichuanUniversityof Science and Engineering,Zigong,China, 643000)
Keywords:Digital clock; EDA; VHDL; FPGA; programmable logic device
第
1.
人们很早以前便有了时间的概念，并发明了一系列技术装置，三千多年前，我国祖先最早发明了用土和石片刻制成的“土圭”和“日规”两种计时器，成为世界上最早发明计时器的国家之一，可见时钟的重要性，现在更是一个注重时间的社会，所以研究数字时钟能够给人们带来极大的便利，对时钟的数字化研究有利于人们更准确的了解时间，更有条不紊的完成工作，智能化数字时钟的研究对丰富人们的生活具有重要意义。近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。时间的宝贵是个亘古不变的真理，然而工作的忙碌性和繁杂性很容易让人忘记当前的时间或是工作中不能及时方便地知晓时间。交通上，火车汽车要准时到达，航班要准时起飞；在日常生活中，学校要求上学准时，公司召开的会议要求参加准时，重要约会要求到达准时；在工业生产中，许多工作环节都规定了精准的时间、间隔以及次序。所以说，随时准确地知道时间并且利用时间是学习、工作、生活的必要要求。
相比较而言，单片机一般用于操作控制，PLD一般用于组合逻辑，功能各不相同，但PLD功能比普通的单片机更强、速度更快、价格也越来越便宜。并且PLD更加高端一些，灵活性更强，近来发展很快，之后的电子技术发展PLD的应用将会非常广泛。选择PLD进行设计会对以后的专业发展有很大的帮助，所以选择第三种方法即采用可编程逻辑器件进行设计。
电子时钟的意义不仅仅在于反应时间本身，这个时间系统还可以当做一个单位模块应用于其他设备中，比如定时广播、定时开关烤箱、定时关闭路灯，以及其他各种定时电气的自动启用等设备，都是内嵌了电子时钟而实现其时间功能的。因此，研究电字时钟及其拓展电路的应用，将会对以后研究其他自动化设备产生积极意义。
随着现场可编程门阵列（FPGA）的出现，电子系统向集成化，大规模和高速度等方向发展的趋势更加明显，FPGA是特殊的ASIC芯片，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，FPGA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，故利用FPGA这一新技术手段俩研究电子钟具有重要意义。[1-8]
1.
本方案以FPGA芯片为核心，将外接时钟信号送至FPGA作为时钟基准信号和动态扫描信号。在芯片内部分别设计出数字钟的各个模块，如分频模块、计时模块、闹钟模块、整点报时模块和动态扫描模块等。将各位信号送出至数码管显示。本方案的电路比较简单，只用外接一个稳压电源为主控芯片和数码管供电，再接一个晶振和一个数码管即可。
1.
时钟的实现具体有三种方法。一是通过单纯的数字电路来实现；二是使用单片机来控制实现；三是使用可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）来实现。由于纯数字电路实现不仅造价很高、设计麻烦，且后期的调试与验证会有很多连线与布局的问题，此方法已经很不实用了，所以放弃此方法；而第二种和第三种方法均是采用一个主控芯片来控制时钟电路，再外接不同的模块来实现完整的功能，需进一步说明两种方法的不同。