利用FPGA設計實現創意番茄鐘

西安交通大學 馬麗媛

番茄工作法是一種簡單易行、更加微觀的時間管理方法，有助于提高工作效率，同時保證充足的休息。本文基于Xilinx公司的EGO1平臺，利用現場可編程門陣列FPGA芯片和硬件描述語言Verilog編程設計了一個番茄鐘，具有可設定和調節番茄時間、控制啟停、狀態切換、閃爍提醒、通用時鐘等多種功能，為番茄工作法的實現提供了一條切實可行的解決途徑。

隨著現代社會的飛速發展，勞動強度和工作任務也在不斷加大，如何充分利用和管理時間，提高工作效率的同時保證充足的休息是人們面臨的一個實際問題，為此，番茄工作法被提出并為越來越多的人所接受。

番茄工作法是一種簡單易行、更加微觀的時間管理方法。利用它可將任務分解，設定一個番茄時間，在番茄時間內專注工作，中途不允許做任何與該任務無關的事，直到番茄鐘響起，然后在紙上畫一個記號，如此視作種一個“番茄”；之后設定一個番茄休息時間，短暫休息一下，哪怕工作沒有完成，也要定時休息，然后再進入下一個番茄時間。結束一天的工作后，根據番茄記錄對當日的工作學習情況進行復盤。

可見，番茄工作法提高了注意力，減少了中斷，可以增強決策意識，精確地保質保量改進工作學習流程，對日常的時間管理提供了很大幫助。本文根據番茄工作法的特點和功能要求，基于Xilinx公司生產的Artix-7系列現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）芯片XC7A35T-1CSG324C以及EGO1開發平臺、利用Verilog硬件描述語言編程設計了一款簡便、實用的番茄鐘，為實現番茄工作法提供了便利。

1 番茄鐘的總體設計

1.1 功能設計

根據番茄工作法，本文設計的番茄鐘可實現25min和5min兩種倒計時。其中25min主要用于定時工作學習，5min用于定時休息。根據用戶需要也可通過調節時、分、秒、清零等按鍵自行設定其它番茄時間；25min倒計時結束，系統會自動轉為5min倒計時狀態。25min與5min可實現循環倒計時，也可通過start_stop和load按鍵分別控制時鐘的開始/暫停、狀態切換以及置數；每次倒計時至全零狀態時，數碼管閃爍15s用于提示前一階段的結束，并能自動切換至下一初值狀態；將一個“25min+5min”視為一個番茄周期，可記錄并顯示番茄周期數，供用戶總結當天的工作學習情況。此外，系統還設計了通用的時鐘功能，亦可作為正常的時鐘使用。

圖1 番茄鐘的系統結構

1.2 系統結構

整個系統采用自頂向下的層次化設計方法，頂層模塊調用分頻、開關消抖、有限狀態機及計時、動態顯示模塊以實現復雜的數字電路設計。系統總體結構如圖1所示，其中，最左側的第一級為一個100MHz的分頻模塊，經分頻后分別得到秒脈沖信號、用于顯示閃爍控制的2Hz時鐘信號、用于按鍵消抖的500Hz時鐘信號等。此后的第2級為5個按鍵的消抖模塊，有效按鍵輸出給后續第3級的狀態機和計數模塊，最右側第4級為動態顯示模塊，其輸出連接到8個數碼管的段和位，用于顯示結果。

2 各模塊的功能實現

2.1 分頻和消抖模塊

系統時鐘為100MHz，分頻模塊利用計數器分頻后分別得到1Hz、2Hz等不同頻率的信號供后續電路使用。按鍵消抖采用延時的方法，延時后當輸入的按鍵電平與之前電平一致時，判定為有效按鍵。

2.2 狀態機和計數模塊

該模塊是整個設計的核心，狀態轉換和倒計時、時間調節、番茄數的累計等都由該模塊完成。根據所要完成的功能，整個系統需要處理9種狀態，且相互之間有著復雜的轉換關系。若采用畫流程圖的思路設計，會很快陷入困境。因此，本文采用有限狀態機來描述對象，邏輯清晰，表達力強，且利于系統的結構化和模塊封裝。所謂狀態機是指一個系統或機器，由若干個狀態構成，觸發這些狀態會發生狀態相互轉移的事件。由于狀態往往是有限的，所以狀態機又稱為有限狀態機，它是一個非常有用的模型，可以模擬世界上大部分的事物。

有限狀態機在任意時刻都處于有限狀態集合中的某一狀態。當其被觸發時，將從當前狀態轉換到另一個狀態，或者仍然保持在當前狀態。任何一個有限狀態機都可以用狀態轉換圖或狀態轉換表來描述。本文根據番茄鐘的功能，列出了9種狀態及其相互之間的轉換關系，如表1所示，其中包括：25min初態、倒計時25min開始、25min倒計時暫停、25min倒計時結束時閃爍提醒、5min初態、倒計時5min開始、5min倒計時暫停、5min倒計時結束時閃爍提醒、以及全0狀態。

根據表1，對狀態進行編碼，然后采用兩段式描述方法編寫程序。如圖2所示，先使用一個always塊（圖(a)）描述狀態的轉移關系，如現態cstate處于S1狀態時，若觸發條件為開始/暫停按鍵key1，則轉向次態（nstate）S2，否則維持；然后，再用另一個always塊（圖(b)）描述狀態轉移的條件和狀態輸出，如現態為S1時，計數使能端cnt_en置為1，置數端置為0。以此類推，實現9個狀態及其關系的描述。

表1 狀態轉換表

圖2 狀態機程序設計例程

2.3 顯示模塊

系統用8個數碼管構成動態掃描的方式顯示結果。它接收計數模塊送來的時鐘、番茄數等信號，編程實現動態掃描數碼管的位、查段碼表并輸出段碼的方式將信號輸出給數碼管。時間顯示在右側數碼管上，番茄數顯示在左側數碼管上。

結論：本文基于FPGA、利用層次化的編程方法和有限狀態機的設計思想，實現了一個番茄鐘。產品具有可設定和調節番茄時間、控制啟停、狀態切換、閃爍提醒、通用時鐘等多種功能，便于日常學習工作的時間管理，可滿足番茄工作法的市場需求。