基于VHDL語言的超長時間定時器設計及實現

引言

　　傳統的定時器硬件連接比較復雜，可靠性差，而且計時時間短，難以滿足需要。本設計采用可編程芯片和VHDL語言進行軟硬件設計，不但可使硬件大為簡化，而且穩定性也有明顯提高。由于可編程芯片的頻率精度可達到50 MHz，因而計時精度很高。本設計采用逐位設定預置時間，其最長時間設定可長達99小時59分59秒。完全可以滿足用戶的需要，使用也更為方便。

　　
1 系統原理

　　本定時器的核心器件為EP1C6Q240C8芯片。該芯片有選位、置位、啟動、復位、倒計時等功能，顯示采用2個3位LED數碼管，并采用共陰接法，可以動態掃描顯示。其系統原理如圖1所示。

　　
2 硬件設計

　　本系統共有兩大模塊，分別為控制／定時模塊和顯示模塊。其中控制／定時模塊包括按鍵的功能定義和計時的邏輯定義。顯示模塊則包括片選模塊、位掃描模塊和數碼管譯碼模塊。

　　設計時可將秒信號輸入控制／定時模塊，此時系統將輸出六個四位BCD碼，以分別表示時、分、秒位。在預置數時，計數器可以秒的速度遞增，從而實現逐位預置數；而在定時倒計數時，計數器可以秒的速度遞減，從而實現倒計時。系統中的位選擇器用于對六位進行循環掃描輸出，并將掃描輸出送到譯碼器。譯碼器模塊可對輸入的四位進行譯碼，同時在設置數值時用6個LED燈分別指示其所設置的位。

　　該系統硬件由兩部分組成，一部分是EPlC6Q240C8芯片，另一部分是按鍵，譯碼器，LED數碼管，發光二極管及可編程芯片的支持電路。圖2所示是其AAA控制定時模塊的引腳排列。其主要功能引腳的定義如下：

　　Setw(置位鍵)：用于選定定時器所需定時的對應位。發光二極管對應七段數碼管設置，當選定對應的位時，相應的發光二極管亮；

　　Set(置數鍵)：用于設置選定位的具體數值；

　　Start鍵：用于設定好時間后啟動秒表計時。可通過軟件使start按鍵經過鎖存器后進人AAA模塊。Start觸發后可產生持續的高電平；

　　ALM(揚聲器)：可在計時結束時發聲報警；

　　Clr(清零鍵)：用于計時器的清零復位；

　　七段數碼管用于顯示定時數字，set模塊用控制數碼管的掃描頻率。

3 主要模塊軟件程序

　　圖3所示是該定時器的軟件系統構成。本軟件包括控制／定時模塊和顯示模塊兩大部分。

　　3.1 控制／定時模塊

　　AAA控制／定時模塊是該定時器的核心部分，該模塊的程序流程圖如圖4所示。

　　當START為高電平時，該定時器將進入倒計時階段。當CLK脈沖上升沿到來時，計數以秒的速度減1，直到計時結束，使ALM位為高電平為止。CLR為復位端，可用來清零，通常采用異步復位方式。SETW用于選位，高電平有效。SET用于對選定的位進行置數，也是高電平有效。ALM輸出端將在定時結束時產生高電平。Q0～Q5為四位BCD碼輸出端口，主要用于顯示。

3.2 顯示模塊

　　通過XUAN模塊可完成BCD碼的轉化，再經DISP模塊譯碼．然后輸出給七段數碼管。

　　(1)XUAN模塊

　　XUAN可產生四位BCD碼輸入，并從sel端輸出。該模塊的管腳圖如圖5所示。其源程序代碼如下：

　　(2)DISP模塊

　　DISP模塊主要用于譯碼，可定義七段數碼管顯示的數字。其源程序如下：

4 系統仿真及結果

　　圖6所示是對AAA控制／定時模塊的仿真結果。由此結果可見，當setw置“1”時，statea位選從0到5循環，分別代表六個數碼管的位置。當start置“1”時，q5-q0進行借位減法。q5、q4表示小時，最高可到99小時；q3、q2表示分鐘，最高59分鐘；q1、q0表示秒，最高為59秒。

　　
5 結束語

　　本設計從總體要求出發，采用模塊化設計方法，實現了長達99小時的定時設計。同時采用QuartusⅡ4.0仿真環境進行了仿真。結果證明，本系統可以實現理想的定時操作而且設計體現了人性化，具有較強的實際應用價值。