基于FPGA的数字钟系统设计

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摘 要：文章基于fpga设计了一款数字钟，采用VHDL语言进行设计。系统包括分频功能、计时功能、显示译码功能和整点报时功能，并通过QuartusⅡ软件进行了仿真验证，经测试，仿真结果完全符合设计要求。系统具有稳定性好，便于修改和移植等优点。

关键词：数字钟系统；FPGA；QuartusⅡ

引言

数字钟是我们生产和生活中不可或缺的计时工具，被广泛的应用。传统的数字钟系统，大多是用数字电路芯片或单片机来实现，具有硬件电路复杂、扩展性能差、不方便移植等缺点，因此，不利于系统的更新。

采用FPGA芯片对数字钟系统进行设计，充分利用FPGA的软件可编程性，设计方法灵活不受硬件限制，缩短研发周期，利于产品升级。文章就是研究FPGA设计数字钟系统。

1 数字钟系统的整体设计

文章设计的数字钟，主要包括7个子模块：秒计时模块、分计时模块、时计时模块、星期计时模块、分频模块、译码显示模块和整点报时模块。系统有两个输入：复位输入和高频时钟信号输入。复位端是用来对整个系统进行清零复位的，其控制着系统的7个模块的复位端。高频时钟信号输入先送入分频器进行分频，得到1Hz信号。分、秒、时、星期的当前值均送到译码显示模块进行译码，用于共阳数码管的显示。同时，将分计时模块计时值送到整点报时模块，当分为“00”时，进行整点报时。系统整体设计框图如图1所示。

2 计时功能部分的设计

计时功能部分主要包括四个模块，分别是秒计时模块、分计时模块、时计时模块、星期计时模块。

秒计时模块（miaojishi）是一个60进制的计数器。模块包括两个输入，reset复位端和clks时钟输入端，当reset为低电平时对计数值进行清零，clks每来一个上升沿计数值加一。模块有三个输出，miao1是秒计时值的个位，miao2是秒计时值的十位，enmiao是秒计时的进位端，当计数到59时输出高电平。

分计时模块（fenjishi）也是一个60进制的计数器。模块有两个输入分别为reset复位端和clkm时钟输入端。当reset为低电平时对计数值进行清零，clkm每来一个上升沿计数值加一。三个输出，fen1是分计时值的个位，fen2是分计时值的十位，enfen是分计时的进位端，当计数到59时输出高电平。

时计时模块（shijishi）是24进制的计数器。模块有两个输入分别为reset复位端和clkh时钟输入端。当reset为低电平时对计数值进行清零，clkh每来一个上升沿计数值加一。三个输出，shi1是时计时值的个位，shi2是时计时值的十位，enshi是时计时的进位端，当计数到23时输出高电平。

星期计时模块（xingqishi）是7进制的计数器。模块有两个输入分别为reset复位端和clkd时钟输入端。当reset为低电平时对计数值进行清零，clkd每来一个上升沿计数值加一。输出day为星期计数值。

3 分频模块设计

分频模块（fenpin1）的主要作用是将高频输入信号clk，比如1MHz，进行1000000分频，得到输出q为1Hz，为计时功能部分提供基准时钟信号。

4 译码显示模块设计

译码显示模块（decode））的主要功能是将计时功能部分的秒（miao1，miao2）、分（fen1，fen2）、时（shi1，shi2）、星期（day）的计数值进行译码，以便送至共阳数码管进行显示。输出m1为miao1的段码，m2为miao2的段码，f1为fen1的段码，f2为fen2的段码，s1为shi1的段码，s2为shi2的段码，d为day的段码。

5 整点报时模块设计

整点报时模块（alert1）的主要作用是当计时为整点时，输出高电平，控制扬声器发声，以提示用户整点时间到。其输入reset为复位信号，低电平清零。输入fen1、fen2来自分计时模块，当fen1、fen2均为0时，输出alarm输出高电平，进行报时。

6 数字钟系统原理图及仿真

将7个模块按照输入输出关系连接，数字计时系统原理图如图1所示。clk为高频输入时钟信号，reset为系统复位信号。分频器输出信号送至秒计时模块clks端，enmiao连接分计时模块clkm，enfen连接时计时模块clkh，enshi连接星期计时模块clkd。miao1、miao2、fen1、fen2、shi1、shi2、day送至译码器，进行译码输出。fen1、fen2同时送至整点报时模块，当“00”时进行，报时输出。

数字钟系统QuartusII仿真图分别如图3所示。从图中可以看到，m1、m2、f1、f2、s1、s2、d为计时的译码输出。当f1、f2译码值均为40时，即计数值为“00”时alarm输出高电平报时，仿真符合设计要求。

7 结束语

文章基于FPGA设计了一款数字钟，数字钟具有计时、显示、报时等功能。设计采用VHDL语言进行编程，层次化的设计方法，底层设计了7个模块，顶层采用原理图设计。并通过QuartusⅡ软件进行了仿真验证，经测试，仿真结果满足设计要求。

参考文献

[1]周润景，图雅，张丽敏.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京：电子工业出版社，2007：239.

[2]闫石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2000：158.

作者简介：张慧（1982-），女，籍贯：江苏盐城，盐城工业职业技术学院，讲师，硕士，主要从事电子专业教学，研究方向为移动通信、FPGA/CPLD应用。