基于FPGA的籃球30s可控計時器

王哲 王凡碩 楊煜欣 黎浣珊 劉天野 朱志剛

摘要：為了實現在籃球比賽中簡單方便無誤差的倒計時功能，通過掌握Verilog語言，在Quartus|| 軟件下的編程、仿真、頂層文件電路圖，初步設計出30秒可控的籃球計時器。

關鍵詞：FPGA；Verilog；Quartus‖

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0253-02

在緊張激烈的籃球比賽倒計時環節，如何輕松方便進行倒計時，不出差錯，這個時候就需要借助更可靠的機器來計時。籃球30秒可控計時器，可以準確可靠的計算時間，彌補人類短時計時時易出現的誤差。

1 原理

1.1 FPGA的簡單介紹

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PLA、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。（—— 引用于百度百科詞條）

1.2 實驗的設計原理

籃球30秒可控計時器是由三部分組成的，有10分頻器、30秒鐘內可控的遞減計時器以及報警提示電路。30秒鐘可控的遞減計時器是系統核心部件，該是由外部的開關鍵控制高低電平實現清零，直接能控制減計時器進行復位和解除報警。當開關鍵預置為低電平有效，若輸出高低位是30秒時，開始啟動計時。啟動計時由開關使能來控制啟動、暫停。

2 總體設計

總體設計框圖，如圖1所示。

3 詳細設計

3.1 主要功能

⑴能具有30秒計時和顯示的功能；

⑵設計中具有外部開關，能使計時器實現直接清零、裝數、開始和暫停/連續的功能；

⑶對于30秒倒計時，其計時間隔為1秒；

⑷當計時器隨時間遞減，計時為0時，顯示器不能滅燈，并同時發出報警提示信號；

⑸可以解除報警信號。

3.2 要求

要在Quartus‖軟件平臺上，建立出計數器電路頂層電路文件，并做出編譯和仿真。

3.3 輸入/出信號說明

輸入信號：時鐘位CPA、直接清零位CR、預置（裝數）位LD及減計數使能（啟動/暫停）位S。

輸出信號：計時輸出信號QH[3..0]、QL[3..0]高位和低位還有報警信號L。

3.4 軟件流程圖

如圖2所示。

3.5 框圖頂層文件

原理圖，如圖3所示：

4 仿真

其仿真圖如圖4 所示

通過仿真波形可以看出，當30秒可控計的時器進行正常的遞減計數時，開關鍵使能使S=0時能實現保持功能。另外，當開關鍵裝數LD為低電平時有效，使得立即能預置輸出變量QH、QL為0011和0000，實現裝數的功能。若當計時器遞減計數到0時，發出報警提示信號L=1。當開關鍵輸入，使清零位為低電平信號時，直接能使計時器復位并能解除警報，使實現系統控制功能。

5 驗證

6 總結

通過對FPGA的初步學習，基礎的掌握了Quartus‖軟件的使用方法，運用軟件能設計符合功能的電路，并用Verilog語言進行對分頻、倒計時、報警這三部分的編程，通過軟件進行仿真對比，對結果進行驗證。經過反復修改與驗證后，最終實現了所需功能，使30秒籃球可控計時器能夠正常使用。

參考文獻：

[1] 陳賾，鄒道勝，朱如琪.CPLD/FPGA與ASIC設計實踐教程[M]. 2版.北京：科學出版社，2010.

[2] 蔣小燕，俞偉鈞，張立臣.EDA技術及VHDL[M].南京：東南大學出版社，2008.

【通聯編輯：唐一東】