基于VHDL語言的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)

李曉敏，田熙燕

（河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

硬件描述語言VHDL是EDA技術(shù)的重要組成部分，也是電子設(shè)計(jì)主流硬件的描述語言之一，它具有很強(qiáng)的電路描述能力和建模能力，極好地反映了EDA設(shè)計(jì)的“自頂向下”的原則。而EDA技術(shù)作為硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在發(fā)展的過程中充分地顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后目標(biāo)，是完成專用集成電路ASIC的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[1]。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，EDA技術(shù)可以用VHDL語言對系統(tǒng)進(jìn)行抽象的行為與功能描述，對設(shè)計(jì)的各個(gè)階段進(jìn)行模擬驗(yàn)證，同時(shí)由于VHDL具有與具體電路無關(guān)的特性，使得設(shè)計(jì)者大大節(jié)省了時(shí)間，提高了效率[2]。

1 數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)方案及框圖

1.1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)要完成的主要功能有：

1）數(shù)字時(shí)鐘按24 h制設(shè)計(jì)，由6只數(shù)碼管顯示小時(shí)、分鐘、秒；

2）小時(shí)單元和分鐘單元具有復(fù)位功能，當(dāng)按下對應(yīng)按鍵時(shí)，小時(shí)單元和分鐘單元復(fù)位為00；

3）動(dòng)態(tài)掃描功能，掃描輸出輪流點(diǎn)亮各個(gè)數(shù)碼管，可用來檢測數(shù)碼管的好壞；

由功能要求可將系統(tǒng)分模塊實(shí)現(xiàn)[3]。將系統(tǒng)分為7個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)。這7個(gè)模塊分別為：

①24進(jìn)制計(jì)數(shù)器；②60進(jìn)制計(jì)數(shù)器；③分頻器；④選擇顯示數(shù)據(jù)模塊：其功能為將輸入的六路信號（時(shí)十位﹑時(shí)個(gè)位﹑分十位﹑分個(gè)位﹑秒十位﹑秒個(gè)位）輪流選中送給七段顯示譯碼器，即在一個(gè)時(shí)間單元內(nèi)只顯示一路信號的值；⑤動(dòng)態(tài)掃描控制模塊：其功能為控制數(shù)碼管電路的亮滅，即完成對6個(gè)數(shù)碼管的掃描控制功能[3]；⑥七段顯示譯碼器：完成BCD碼向7段顯示碼的轉(zhuǎn)換；⑦模六計(jì)數(shù)器：用來控制數(shù)碼管的片選信號，同時(shí)作為選擇顯示數(shù)據(jù)模塊的地址產(chǎn)生器。

1.2 系統(tǒng)的模塊框圖

如圖1所示，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法[4]，通過對功能框圖的分析，將系統(tǒng)分模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再通過例化語句完成各模塊間的銜接，最終實(shí)現(xiàn)了頂層描述，完成系統(tǒng)預(yù)定功能。

1.3 系統(tǒng)的工作流程描述

如圖1，時(shí)鐘系統(tǒng)具有一個(gè)使能端en、一個(gè)異步清零端clr以及時(shí)鐘脈沖輸入端clk。由6個(gè)計(jì)數(shù)器分別完成小時(shí)、分鐘、秒的計(jì)時(shí)，并分別通過數(shù)據(jù)選擇器的6個(gè)輸入端送入選擇器，數(shù)據(jù)選擇器的使能端由一個(gè)模為六的計(jì)數(shù)器控制，輪流選中數(shù)據(jù)選擇器的6個(gè)輸入端，這樣，6個(gè)輸入端口的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)選擇器的輸出端口就得到了串行輪流的輸出。此輸出作為七段顯示譯碼器的字符輸入端，經(jīng)譯碼后在數(shù)碼管顯示電路上顯示出對應(yīng)字形。數(shù)碼管顯示電路上的6個(gè)數(shù)碼管同樣采用輪流點(diǎn)亮的方式。由于循環(huán)的速度非常快，所以肉眼看起來仍然是同時(shí)顯示的感覺。

圖1 數(shù)字鐘模塊框圖Fig.1 Block diagram of digital clock model

2 各模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)

24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能為完成計(jì)時(shí)電路中小時(shí)單元的計(jì)時(shí)功能[5]，并且具有異步清零端clr（低電平有效）﹑使能端en（高電平有效）；當(dāng)數(shù)字鐘處于正常計(jì)時(shí)狀態(tài)時(shí)，完成小時(shí)計(jì)時(shí)，并且受分計(jì)時(shí)模塊（60進(jìn)制）進(jìn)位輸出信號的控制。程序描述如下：

library ieee；--24進(jìn)制計(jì)數(shù)器VHDL語言描述

use ieee.std_logic_1164.all；

use ieee.std_logic_unsigned.all；

entity cnt24 is

port（clk，clr，en：in std_logic；

co：out std_logic；

ten：buffer std_logic_vector（3 downto 0）；

one：buffer std_logic_vector（3 downto 0））；end cnt24；

architecture art of cnt24 is

begin

co<='1'when （ten="0010"and one="0011"） else'0'；

process（clk，clr）

begin

if（en='1'）then

if（clr='0'） then

ten<="0000"；

one<="0000"；

elsif（clk'event and clk='1'）then

if（one=3）then

one<="0000"；

if（ten=2）then

ten<="0000"；

else ten<=ten+1；

end if；

else one<=one+1；

end if；

end if；

else one<="0000"；ten<="0000"；

end if；

end process；

end art；

程序的仿真波形如圖2所示，en為使能端，co為計(jì)滿標(biāo)志位輸出。

60進(jìn)制計(jì)數(shù)器功能為完成計(jì)時(shí)電路中分單元和秒單元的計(jì)時(shí)功能，具有異步清零端clr（低電平有效）﹑使能端en（高電平有效）以及進(jìn)位信號co；其程序描述與24進(jìn)制計(jì)數(shù)器類似，其仿真波形如圖3。

2.2 分頻器的實(shí)現(xiàn)

分頻器的功能為將輸入的1 000 Hz的脈沖信號轉(zhuǎn)換為1 Hz的信號送給計(jì)時(shí)電路[6]，作為電路的基準(zhǔn)脈沖信號，采用VHDL語言進(jìn)行描述，并利用軟件仿真。其程序描述如下：

library ieee；--分頻器VHDL語言描述

use ieee.std_logic_1164.all；

entity fenpin is

port（clk：in std_logic；

q：out std_logic）；

end fenpin；

圖2 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真波形Fig.2 The 24 binary counter simulation

圖3 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真波形Fig.3 The 60 binary counter simulation

architecture arc of fenpin is

begin

process（clk）

variable cnt：integer range 0 to 999；

begin

if clk’event and clk=’1’ then

if cnt<999 then

cnt：=cnt+1；

q<=’0’；

else cnt：=0；

q<=’1’；

end if；

end if；

end process；

end arc；

仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 分頻器仿真波形Fig.4 The divider counter simulation

2.3 頂層電路設(shè)計(jì)

各個(gè)模塊建立起來后，通過仿真無誤，采用例化語句完成各個(gè)模塊間的銜接，最終完成頂層電路的設(shè)計(jì)。例化語句的具體描述為：

u1：cnt24 port map （clr=>clrc，clk=>b，en=>enc，one=>c，ten=>d）；--24進(jìn)制計(jì)數(shù)器例化

u2：cnt60 port map （clr=>clrc，clk=>e，en=>enc，one60=>f，

ten60=>g，co60=>b）；--60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器例化

u3：cnt60 port map （clr=>clrc，clk=>h，en=>enc，one60=>i，ten60=>j，co60=>e）；

u4：mux24_4 port map （ones=>c，tens=>d，onem=>f，tenm=>g，oneh=>i，tenh=>j，sel=>k，bcd=>l）； --選擇顯示數(shù)據(jù)模塊例化

u5：seg7 port map（bcd=>l，segout=>shizhongout）； --七段顯示譯碼器例化

u6：scan port map（sel=>k，seg6_com=>bcd_control）； --動(dòng)態(tài)掃描控制模塊例化

u7：sel port map（clk=>clkc，sel=>k）； --譯碼器例化

u8：fenpin port map（clk=>clkc，q=>h）； --分頻器例化

以5 s時(shí)刻為例，掃描控制輸出輪流點(diǎn)亮各個(gè)LED數(shù)碼管；（11110-111101-111111-111011-110111-111111-101111-011111-11110---------）

七段顯示譯碼器輸出為 0（0111111），5（1101101），系統(tǒng)仿真波形如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)級仿真波形Fig.5 The system simulation

系統(tǒng)的仿真結(jié)果證明，此設(shè)計(jì)能夠完成既定功能，設(shè)計(jì)過程是正確的。

3 結(jié)束語

本文通過電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)表明了VHDL設(shè)計(jì)的一般流程及其顯著特點(diǎn)，把其下載到開發(fā)板上與其他外圍電路一起構(gòu)成了數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)測試，得到了良好的效果。同時(shí)表明了EDA技術(shù)“硬件設(shè)計(jì)軟件化”的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中不涉及具體硬件電路，這也是電子品設(shè)計(jì)的大趨勢。

[1]潘松，黃繼業(yè).EDA 技術(shù)實(shí)用教程（3）[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]艾明晶，金惠華.EDA教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例——電子秒表電路的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，22（4）：141-142.AIMing-jing，JIN Hui-hua.A design example ofEDA Teaching Experiment-the design of electronic stop-watch circuit[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，22（4）：141-142.

[3]徐曉玲，田亞菲，崔偉.基于EDA仿真技術(shù)的電子時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（2）：139-140.XU Xiao-ling，TIAN Ya-fei，CUI Wei.Electronic clock system design based on EDA simulation technology[J].Microcomputer Information ，2010，26（2）：139-140.

[4]徐大詔.基于FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2009（12）：102-104.XU Da-zhao.Digital clock design based on FPGA[J].Information Technology， 2009（12）：102-104.

[5]包本剛，朱湘萍.基于EDA技術(shù)的多功能數(shù)字時(shí)鐘的ASIC設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（12/2）：212-214.BAO Ben-gang，ZHU Xiang-ping.ASIC design of multifunctional digital clock based on EDA technology[J].Microcomputer Information 2008，24（12/2）：212-214.

[6]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)字部分（3）[M].5 版.北京：高等教育出版社，2006.