基于FPGA的有限狀態機計時器設計

楊秀蘭 楊玉

摘要：當前FPGA應用很廣，可以用來設計很多自身需求的程序以達到一定的便利。本文使用FPGA設計一個計時器，該計時器用到有限狀態機的機制來實現控制，計時器可實現時分秒的精確計數，并可顯示出去再液晶屏或者顯示屏。最后進行功能仿真以校驗時序和控制的準確性。

關鍵詞： FPGA;計時器;控制;狀態機

1.前言

當前FPGA的應用非常廣，用它進行編程的人也越來越多。應用FPGA進行自身所需求的產品的設計是非常合適的，用有限狀態機的機制去控制計時器，讓計時器可以重置、報時等。有限狀態機常常被用在自動售貨機、排號機、ATM、銀行業務自助機等上面。該計時器可顯示時分秒，最大計時為59時59分59秒，可以清零和每隔10分鐘進行報時。

2.設計與實現

該計時器由三個部分組成，這三個部分分別是控制部分、計時部分、顯示和發聲部分。控制部分主要由一個有限狀態機完成控制，有清零和啟動/暫停等按鍵。該有限狀態機設置六個狀態，分別是清零狀態、零值狀態、開始狀態、計時狀態、停止狀態、啟動狀態。該狀態機兩個輸入分別是清零按鍵（re）、啟停按鍵（star/stop），兩個輸出分別是計時許可（able）、計時清零（rst），其狀態機圖如下圖1所示：

其中，當清零按鍵re按下時，狀態機進入清除狀態，其計時許可控制輸出信號able為低電平，計時清零輸出信號rst為高電平，則進行清零，計時器就會清除當前所有計時，并從清零狀態進入到零值的狀態;而在零值狀態下，當按下啟停按鍵（star/stop）時，就會進入開始狀態，則計時器開始計時;而在開始狀態下時，當star/stop按鍵由0變成1時，則會進入自動計時狀態，計時許可控制信號able為高電平，允許計數器計數;在計時狀態下，當按下啟停按鍵時即star/stop按鍵由1變成0時，則停止計時，會進入停止狀態;在停止狀態下，當star/stop按鍵由0變成1時，就會進入啟動狀態;在啟動狀態下，當按下啟停按鍵時即star/stop按鍵由1變成0時，則又進入開始狀態;當star/stop按鍵由0變成1時，進入計時狀態，這時計數器會在原來已經計有的數字的基礎上繼續計時。如果想重新開始計時，則按下清零按鈕（re）。

整個計時器的三個部分的輸入輸出模塊圖如圖2所示，

其中，clk為FPGA開發板的時鐘。時間部分為：timehh（小時高位）、timehl（小時低位）、timemh（分鐘高位）、timeml（分鐘低位）、timesh（秒高位）、timesl（秒低位）。顯示發聲部分為：ledd為輸出的數據即時間，leds為寄存器選擇控制輸出信號，當其為低電平時，表示數據總線傳輸的是命令控制信號，當其為高電平時，表示數據總線傳輸的是數據信號;ledr為讀/寫控制輸出信號，當其為低電平時，表示向顯示屏控制芯片寫數據;lede為讀/寫操作允許控制脈沖輸出信號，高電平有效;sound為發聲信號，用于統計每十分鐘進行一次報時;f為使能控制信號，低電平有效，高電平時不允許占用數據總線。

3.總結

該設計制作了一個有限狀態機控制的計時器，其特點是可長時間計時并報時，是一個很實用的計時器。本文以設計一個實用的計時器去了解和探索FPGA的開發，以便以后能做出更多更好更有用的設計。

參考文獻

1.曾一凡， 吳思琪. 基于FPGA和有限狀態機的守時系統設計[J]. 計算機測量與控制， 2014， 022（005）：1565-1567.

2.孫兆偉， 劉源， 徐國棟，等. 基于FPGA內置RAM的抗輻射有限狀態機設計[J]. 航空學報， 2010（05）：118-124.

作者簡介：楊玉（1977-），女，廣西玉林人，學士，助教，研究方向：流動力學，為本文通訊作者。

資助基金：二本院校離散數學MOOC改革與應用（2020XJJGZC10）