基于FPGA的多功能數(shù)字鐘設(shè)計

摘要：文中簡要介紹了一種基于FPGA的多功能數(shù)字鐘設(shè)計方案。在實現(xiàn)數(shù)字鐘計時、校時和整點報時等基本功能的基礎(chǔ)上增加世界時鐘功能，能夠?qū)⒈本r間快速轉(zhuǎn)換為格林威治標(biāo)準(zhǔn)時。該方案采用VHDL和原理圖相結(jié)合的設(shè)計輸入方式，在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下完成設(shè)計、編譯和仿真，并在FPGA硬件開發(fā)板上進行測試，實驗證明該設(shè)計方案切實可行，對FPGA的應(yīng)用和數(shù)字鐘的設(shè)計具有一定參考價值。
關(guān)鍵詞：FPGA；VHDL；數(shù)字鐘；世界時鐘；QuartusⅡ

現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGA)是一種可編程使用的信號處理器件。通過改變配置信息，用戶可對其功能進行定義，以滿足設(shè)計需求。通過開發(fā)，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)任何數(shù)字器件的功能。與傳統(tǒng)數(shù)字電路相比，F(xiàn)PGA具有可編程、高集成度、高可靠性和高速等優(yōu)點。

1 數(shù)字鐘總體設(shè)計
本文以FPGA平臺為基礎(chǔ)，在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下設(shè)計開發(fā)多功能數(shù)字鐘。數(shù)字鐘實現(xiàn)的功能如下：
1)計時功能：進行正常的時、分、秒計時，并由6只8段數(shù)碼管分別顯示時、分、秒時間。
2)校時功能：當(dāng)時校時按鍵按下時，計時器時位迅速增加，并按24小時循環(huán)；當(dāng)分校時按鍵按下時，計時器分位迅速增加，并按60分循環(huán)。
3)整點報時功能：當(dāng)計時到達(dá)59分53秒時開始報時，在59分53秒、55秒、57秒蜂鳴聲頻率為512 Hz；到達(dá)59分59秒為最后一聲報時，蜂鳴聲頻率為1 kHz。
4)世界時鐘功能：默認(rèn)當(dāng)前顯示時間為北京時間(GMT+8)，當(dāng)按下世界時按鍵時，顯示時間將轉(zhuǎn)換為格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(GMT)。數(shù)字鐘電路的模塊框圖，如圖1所示。

2 功能模塊的工作原理及設(shè)計實現(xiàn)
系統(tǒng)主要由6大模塊組成，即分頻模塊、計時模塊、校時模塊、譯碼顯示模塊、整點報時模塊和世界時鐘模塊。
2．1 分頻模塊的工作原理及設(shè)計實現(xiàn)
本設(shè)計選用的FPGA開發(fā)板板載20 MHz有源晶振，為了得到占空比50％的1 Hz時基脈沖及2 kHz方波信號(用于驅(qū)動譯碼顯示模塊以及為整點報時模塊提供不同頻率的信號以產(chǎn)生不同音調(diào)的聲音)，需要對板載時鐘信號進行分頻。分頻模塊采用VHDL語言實現(xiàn)，對20 MHz時鐘信號分別進行兩千萬和一萬分頻。具體實現(xiàn)代碼如下：

2．2 計時模塊和校時模塊的工作原理及設(shè)計實現(xiàn)
計時模塊由60進制秒計數(shù)器、60進制分計數(shù)器和24進制時計數(shù)器級聯(lián)構(gòu)成，采用同步時序電路實現(xiàn)。當(dāng)計數(shù)器處于正常計數(shù)狀態(tài)時，3個計數(shù)器的時鐘信號均為1Hz時基脈沖，秒計數(shù)器對1 Hz的時基脈沖進行計數(shù)，其進位輸出信號cos_in作為分計數(shù)器的使能信號，而分計數(shù)器的進位輸出信號com_in又作為時計數(shù)器的使能信號。在計時模塊的基礎(chǔ)上，數(shù)字鐘通過增加兩個按鍵分別實現(xiàn)對小時和分鐘的調(diào)整。這兩個按鍵能夠產(chǎn)生時計數(shù)器和分計數(shù)器的另一路使能信號，即按下時校時按鍵時，時計數(shù)器使能信號持續(xù)有效，由于采用同步時序電路，時計數(shù)器能夠持續(xù)增加，達(dá)到調(diào)整時間的目的。按下分校時按鍵時原理相同。此外，校時模塊還對校時按鍵進行防抖動處理，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。