基于FPGA的電子秒表設計

劉博 吳華 李頔 曹佳哲

【摘 要】利用Xilinx ISE集成開發(fā)環(huán)境和FPGA開發(fā)板實現(xiàn)電子秒表的功能。該電子秒表的顯示范圍為0.00秒-59.99秒，精度位0.01秒，通過按鍵控制其啟動、暫停和清零。應用VHDL語言設計數(shù)字系統(tǒng)，可大大縮短設計時間、降低開發(fā)成本，而且易于修改。

【關鍵詞】FPGA；ISE；電子秒表；VHDL

中圖分類號： TH714 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0048-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.020

0 引言

傳統(tǒng)的電子秒表設計開發(fā)周期長、精度不高，而且不能根據(jù)用戶需求現(xiàn)場修改功能。本文利用美國Xilinx公司的ISE集成開發(fā)軟件[1]和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）開發(fā)板，采用自頂向下的設計方法[2]，根據(jù)設計指標和需求，從整個系統(tǒng)的邏輯功能觸發(fā)，將整個系統(tǒng)分為若干個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又可分為幾個功能模塊，利用邏輯框圖描述各功能模塊和相互間的聯(lián)系，即繪制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，最后用VHDL語言[2]實現(xiàn)。在ISE軟件中輸入源程序和管腳約束文件，經(jīng)過綜合、實現(xiàn)、生成二進制文件，最后下載到FPGA開發(fā)板上驗證。采用自頂向下的設計方法可將復雜問題分解成若干小模塊，符合常規(guī)的邏輯思維習慣，而且便于分工合作，從而提高設計效率。基于FPGA的電子秒表具有更多的功能、更好的性能和靈活性。

1 整體設計

該電子秒表要實現(xiàn)以下功能：設置啟動鍵和復位鍵（即清零），以便秒表能隨意啟動、暫停和清零。顯示0.00秒到59.99秒，共有4個輸出顯示位，分別是0.01秒位、0.1秒位、秒位和10秒位，需要4個計數(shù)器與之對應。4個計數(shù)器的輸出全部為BCD碼（二-十進制碼）輸出，便于同譯碼器連接，最終通過7段數(shù)碼管顯示。

根據(jù)以上分析，電子秒表主要由十進制計數(shù)器、六進制計數(shù)器、分頻器、控制模塊和顯示譯碼器組成。其中三個十進制計數(shù)器分別對0.01秒、0.1秒和秒位進行計數(shù)，六進制計數(shù)器用來對用來對10秒位進行計數(shù)，分頻器用來產(chǎn)生100Hz的計數(shù)脈沖和1KHz的掃描時鐘（因為4個LED數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示方式，所以需要掃描時鐘），顯示譯碼器將BCD碼轉(zhuǎn)換成7段數(shù)碼管顯示，控制模塊用來控制讓4個數(shù)碼管中的哪一位輸出。

2 各功能模塊實現(xiàn)和頂層文件編寫

2.1 底層模塊實現(xiàn)

2.1.1 十進制計數(shù)器

計數(shù)時鐘為100Hz。

entity count6 is

Port （ clk，clr，start ： in STD_LOGIC；

cout ： out STD_LOGIC；

daout：out STD_LOGIC_VECTOR（3 downto 0））；

end count6；

architecture Behavioral of count6 is

signal temp：std_logic_vector（3 downto 0）；

begin

process（clk，clr）

begin

if clr='1' then

temp<="0000"；

cout<='0'；

elsif （clk'event and clk='1'） then

if start='1' then

if temp>="0101" then

temp<="0000"；

cout<='1'；

else

temp<=temp+1；

cout<='0'；

end if；

end if；

end if；

daout<=temp；

end process；

end Behavioral；

2.1.2 六進制計數(shù)器

實體聲明部分與十進制計數(shù)器程序相同，不同的只有結(jié)構(gòu)體中以下兩行：

if temp>="1001" then

temp<="0000"；

2.1.3 分頻器

將FPGA開發(fā)板上的50MHz的時鐘分出一個100Hz的計數(shù)時鐘和一個1KHz的掃描時鐘。

entity div is

Port （ clr，clk ： in STD_LOGIC；

q1 ： buffer STD_LOGIC；

q2 ： buffer STD_LOGIC）；

end div；

architecture Behavioral of div is

signal counter：integer range 0 to 249999；

signal counter2：integer range 0 to 24999；

begin

process（clr，clk）

begin

if （clk='1' and clk'event） then

if clr='1' then

counter<=0；

elsif counter=249999 then

counter<=0；

q1 <= not q1；

else

counter<=counter+1；

end if；

end if；

end process；

process（clr，clk）

begin

if （clk='1' and clk'event） then

if clr='1' then

counter2<=0；

elsif counter2=24999 then

counter2<=0；

q2 <= not q2；

else

counter2<=counter2+1；

end if；

end if；

end process；

end Behavioral；

2.1.4 顯示譯碼器

將輸入的BCD碼轉(zhuǎn)換成7段數(shù)碼管對應的值輸出，F(xiàn)PGA開發(fā)板是共陽極接法。

entity deled is

Port （ num ： in STD_LOGIC_VECTOR （3 downto 0）；

led ： out STD_LOGIC_VECTOR （6 downto 0））；

end deled；

architecture Behavioral of deled is

begin

process（num）

begin

case num is

when"0000"=>led<="0000001"；-----------3FH0

when"0001"=>led<="1001111"；-----------06H 1

when"0010"=>led<="0010010"；-----------5BH 2

when"0100"=>led<="1001100"；-----------66H 4

when"0101"=>led<="0100100"；-----------6DH 5

when"0110"=>led<="0100000"；-----------7DH 6

when"0111"=>led<="0001101"；-----------27H 7

when"1000"=>led<="0000000"；-----------7FH 8

when"1001"=>led<="0000100"；-----------6FH 9

when others=>led<="1111111"；-----------00H

end case；

end process；

end Behavioral；

2.1.5 控制模塊

控制先讓哪一位輸出，再讓哪一位輸出。

entity seltime is

Port （ clr ： in STD_LOGIC；

clk ： in STD_LOGIC；

dain0 ： in STD_LOGIC_VECTOR （3 downto 0）；

dain1 ： in STD_LOGIC_VECTOR （3 downto 0）；

dain2 ： in STD_LOGIC_VECTOR （3 downto 0）；

dain3 ： in STD_LOGIC_VECTOR （3 downto 0）；

daout ： out STD_LOGIC_VECTOR （3 downto 0）；

an ： out STD_LOGIC_VECTOR （3 downto 0）；

dp：out std_logic）；

end seltime；

architecture Behavioral of seltime is

signal temp：integer range 0 to 3；

begin

process（clk）

begin

if （clr='1'） then

daout<="0000"；

temp<=0；

elsif （clk='1'and clk'event） then

if temp=3 then temp<=0；

else temp<=temp + 1；

end if；

case temp is

when 0=>daout<=dain0； an<="1110"；dp<='1'；

when 1=>daout<=dain1； an<="1101"；dp<='1'；

when 2=>daout<=dain2； an<="1011"；dp<='0'；

when 3=>daout<=dain3； an<="0111"；dp<='1'；

when others=>daout<=dain3； an<="1111"；dp<='1'；

end case；

end if；

end process；

end Behavioral；

2.2 頂層文件編寫

頂層文件應根據(jù)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖編寫，它的主要作用是將底層的7個模塊進行連接，并明確這些模塊與外圍部件（按鍵、7段數(shù)碼管）如何進行連接。利用元件例化語句，可實現(xiàn)自頂向下的層次化設計。編好后，要經(jīng)過ISE軟件編譯檢查語法錯誤。最后將生成的二進制文件下載到FPGA開發(fā)板上驗證。

3 總結(jié)

利用美國Xilinx公司的ISE集成開發(fā)軟件，通過VHDL語言編程實現(xiàn)電子秒表設計的功能，并下載到FPGA開發(fā)板上驗證。因為FPGA器件便于根據(jù)用戶需求修改功能、靈活、可移植性好，所以基于FPGA設計數(shù)字電路系統(tǒng)可大大提高設計效率、縮短開發(fā)時間、降低開發(fā)成本。

【參考文獻】

[1]鄒彥，等.EDA技術(shù)與數(shù)字系統(tǒng)設計[M].電子工業(yè)出版社，2007.

[2]何賓，EDA原理及應用[M].清華大學出版社，2009.