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數字邏輯實驗 9 FPGA數字鐘(Verilog)

2022-12-01 06:46:21 後端開發

目錄

  • 實驗 9 FPGA數字鐘

        • 實驗分析：

        • 實作思路：

        • 硬體支持：

      • 硬體描述語言代碼撰寫：

        • 1 頂層模塊

        • 2 時鐘分頻，(正/倒)計時器模塊

        • 3 輸入處理模塊in_out.v

        • 5 24小時時鐘，計時，秒表模塊

        • 6 鬧鐘

        • 7 時間設定

實驗 9 FPGA數字鐘

??請使用SystemVerilog/Verilog實作一個數字鐘，
要求：
（1）能夠顯示時分秒；
（2）能夠設定開始時間；
（3）使用你自己的7段數碼管顯示譯碼電路實作；
（4）可以使用動態顯示方法實作；
（5）依據實作的其他附加功能，酌情加分：秒表、倒計時、鬧鐘、…
（6）需要在Basys3 FPGA開發板上實作，并通過驗收

實驗分析：

該實驗主要考察對使用硬體設計語言(HDL)進行編程設計，鍛煉硬體設計能力，

實作思路：

采用模塊化設計的思想，將整個數字鐘分解為若干功能模塊：

  1. 埠映射：約束檔案（代碼埠映射到硬體埠）

  2. 處理按鍵輸入的io模塊：消抖，判斷按下

  3. 特定功能模塊：時鐘分頻，24小時時鐘，正/倒計時，秒表，鬧鐘，秒表，時間設定

  4. 顯示模塊：譯碼，選擇輸出

硬體支持：

FPGA開發板：Artix-7 Basys3 from Xilinx

學習步驟：

  1. 閱讀手冊，了解結構與功能：
    Basys 3 Reference Manual - Digilent Reference

  2. 若需要更詳細的資訊，則閱讀所用模塊的原理圖
    Basys 3 Schematic - Digilent

硬體描述語言代碼撰寫：

1 頂層模塊

輸入：板載時鐘CLK，各種按鍵

輸出：按鍵LED燈信號，數碼管12位信號（4位用于位置選擇，7位用于7段數碼管顯示，1位用于小數點顯示）

內部：

1 分線接線，設定緩沖區等

2 例化各種子模塊

3 選擇數碼管輸出

  • digital_clk.v

    module digital_clk(
        input CLK,
        input BTNU, BTND, BTNL, BTNR, BTNC,
        input SW0, SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6,
        input SW13, SW14, SW15,
        output reg[11:0] display_out,
        output LD0, LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6,
        output LD13, LD14, LD15
    );  
//時鐘分頻
wire ms_clk;
wire clock_clk; //1Hz  
wire scan_clk; //1kHZ  
wire Reset, reset, set;
//按鍵接線
wire btnu_down, btnd_down, btnl_down, btnr_down, btnc_down;
wire sw0, sw1, sw2, sw3, sw4, sw5, sw6;
wire sw13, sw14, sw15;
//各模塊數碼管輸出區
wire [11:0]clock_seg ; 
wire [11:0]countup_seg;
wire [11:0]countdown_seg;
wire [11:0]alarm_seg;
wire [11:0]reset_seg;
wire [11:0]sw_seg;
//時間設定接線
wire [3:0] sethour1;
wire [3:0] sethour2;
wire [3:0] setminute1;
wire [3:0] setminute2;
wire [3:0] setsecond1;
wire [3:0] setsecond2;

wire [3:0] hour1;  
wire [3:0] hour2;  
wire [3:0] minute1;
wire [3:0] minute2;
wire [3:0] second1;
wire [3:0] second2;
//wire [5:0] setbit;
wire beep;
assign Reset = sw0;
assign reset = sw13;
assign set = sw1;
//LD
assign LD0 = sw0;
assign LD1 = sw1;
assign LD2 = sw2;
assign LD3 = sw3;
assign LD4 = sw4;
assign LD5 = sw5;
assign LD6 = sw6;
assign LD13 =sw13;
assign LD14 = sw14;
assign LD15 = sw15;

div_n32p #(42950) myscan_clk( //輸出1000Hz掃描時鐘
        .CLK(CLK), 
        .reset(Reset),
        .clk(scan_clk)
);
div_n32p #(43) myclock_clk( //輸出1Hz計時時鐘
        .CLK(CLK), 
        .reset(Reset),
        .clk(clock_clk)
);
div_n32p #(2577) myms_clk(
        .CLK(CLK), 
        .reset(Reset),
        .clk(ms_clk)
);

// io模塊  
in_out myio(
    .CLK(CLK), 
    .BTNU(BTNU), 
    .BTND(BTND), 
    .BTNL(BTNL), 
    .BTNR(BTNR), 
    .BTNC(BTNC),
    .SW0(SW0), 
    .SW1(SW1), 
    .SW2(SW2), 
    .SW3(SW3),
    .SW4(SW4), 
    .SW5(SW5),
    .SW6(SW6),
    .SW13(SW13),
    .SW14(SW14),
    .SW15(SW15),
    .btnu_down(btnu_down), 
    .btnd_down(btnd_down), 
    .btnl_down(btnl_down), 
    .btnr_down(btnr_down), 
    .btnc_down(btnc_down),
    .sw0(sw0), 
    .sw1(sw1), 
    .sw2(sw2), 
    .sw3(sw3),
    .sw4(sw4), 
    .sw5(sw5),
    .sw6(sw6),
    .sw13(sw13),
    .sw14(sw14),
    .sw15(sw15)
);
// 時鐘模塊
clock myclock(
    .CLK(CLK),
    .clock_clk(clock_clk), //1Hz  
    .scan_clk(scan_clk), //1kHZ   
    .Reset(Reset), 
    .reset(reset && sw2),
    .set(set && sw2),
    .start_pause(btnc_down && sw2),
    .display_h(sw15),

    .sethour1(sethour1),  
    .sethour2(sethour2),  
    .setminute1(setminute1),
    .setminute2(setminute2),
    .setsecond1(setsecond1),
    .setsecond2(setsecond2),
    
    .hour1  (hour1),
    .hour2  (hour2),
    .minute1(minute1),
    .minute2(minute2),
    .second1(second1),
    .second2(second2),

    .clock_seg(clock_seg[7:0]),//8
    .seln(clock_seg[11:8])//4
);
//正計時模塊
countup mycountup(
    .CLK(CLK),
    .clock_clk(clock_clk), //1Hz
    .scan_clk(scan_clk), //1kHZ
    .Reset(Reset), 
    .reset(reset && sw3),
    .set(set && sw3),
    .display_h(sw15),
    .start_pause(btnc_down && sw3),
    .sethour1(sethour1),  
    .sethour2(sethour2),  
    .setminute1(setminute1),
    .setminute2(setminute2),
    .setsecond1(setsecond1),
    .setsecond2(setsecond2),
    
    .clock_seg(countup_seg[7:0]),//8
    .seln(countup_seg[11:8])//4
);
//倒計時模塊
countdown mycountdown(
    .CLK(CLK),  
    .clock_clk(clock_clk), //1Hz
    .scan_clk(scan_clk), //1kHZ
    .Reset(Reset), 
    .reset(reset && sw4),
    .set(set && sw4),
    .display_h(sw15),
    .start_pause(btnc_down && sw4),
    
    .sethour1(sethour1),  
    .sethour2(sethour2),  
    .setminute1(setminute1),
    .setminute2(setminute2),
    .setsecond1(setsecond1),
    .setsecond2(setsecond2),
    
    .clock_seg(countdown_seg[7:0]),//8
    .seln(countdown_seg[11:8])//4

);
//鬧鐘模塊
alarm myalarm(
    .CLK(CLK),
    .clock_clk(clock_clk), //1Hz
    .scan_clk(scan_clk), //1kHZ
    .Reset(Reset), 
    .reset(reset && sw5),
    .set(set && sw5),
    .start(sw14),
    .display_h(sw15),
    .hour1(hour1),
    .hour2(hour2),
    .minute1(minute1),
    .minute2(minute2),
    .second1(second1),
    .second2(second2),
    .sethour1(sethour1),  
    .sethour2(sethour2),  
    .setminute1(setminute1),
    .setminute2(setminute2),
    .setsecond1(setsecond1),
    .setsecond2(setsecond2),
    
    .clock_seg(alarm_seg[7:0]),//8
    .seln(alarm_seg[11:8]),//4
    .beep(beep)
);
//秒表
stopwatch mystopwatch(
    .CLK(CLK),       
    .ms_clk(ms_clk),    
    .scan_clk(scan_clk),  
    .Reset(Reset),//全域復
    .reset(reset && sw6),//功能復
    .start_pause(btnc_down && sw6),
    .display_h(display_h), 
    .clock_seg(sw_seg[7:0]),//8
    .seln(sw_seg[11:8])//4
);

button_set_time myset( 
    .CLK(CLK), 
    .Reset(Reset),
//    .reset(1'b0),
    .reset(reset && set),
    .set(set),
    .btnu_down(btnu_down), 
    .btnd_down(btnd_down), 
    .btnl_down(btnl_down), 
    .btnr_down(btnr_down), 
    .btnc_down(btnc_down),

    //out
    .sethour1(sethour1), 
    .sethour2(sethour2), 
    .setminute1(setminute1),
    .setminute2(setminute2),
    .setsecond1(setsecond1),
    .setsecond2(setsecond2));
reset_module myreset(
    .CLK(CLK),
    .Reset(Reset),
    .scan_clk(scan_clk),
    .clock_clk(clock_clk),
    .clock_seg(reset_seg[7:0]), 
    .seln(reset_seg[11:8]));


//選擇輸出
always@(posedge CLK, negedge Reset)begin
    if(~Reset) display_out <= reset_seg;
    else if(sw2) begin//時鐘
        if(beep && sw14)display_out <=alarm_seg;//鬧鐘響了
        else display_out <= clock_seg;
    end
    else if(sw3)display_out <=countup_seg;  //正計時
    else if(sw4)display_out <=countdown_seg;//倒計時
    else if(sw5)display_out <=alarm_seg;    //鬧鐘
    else if(sw6)display_out <=sw_seg;       //秒表
    else display_out <= reset_seg;          
end
endmodule

2 時鐘分頻，(正/倒)計時器模塊

時鐘分頻

將板載輸入100MHz分頻為所需頻率：

1000Hz用于掃描

1Hz用于時鐘計時

60Hz用于秒表計時

由分頻公式\(f=\frac{p}{2^{N}} f_{0}\)，得\(p=\frac{2^{N} f}{f_{0}}\)，采用32位計數器即可求得對應分頻器的加數\(p\)

  • div_n32p.v

    module div_n32p #(parameter p = 43)(//1Hz
    input CLK, reset,
    output clk);
reg [31:0] counter;
always@(posedge CLK, negedge reset)begin
    if(!reset) counter<=32'b0;
    else begin
        counter = counter + p;
    end
end
assign clk = counter[31];
endmodule

1位計時器

通過輸入的進位計時增加，滿量程后進位，帶有設定時間和開始/暫停功能，

  • counter.v

    module counter #(parameter base = 10)(
            input CLK,
            input cin,
            input reset,
            input set,
            input start_pause,
            input [3:0] scount,
            output reg[3:0] count,
            output reg cout
    );
    
reg [2:0] cin_reg;
wire cin_p;
reg mode;//1開始 0暫停

always@(posedge CLK, negedge reset)begin
    if(!reset) mode<=1'b0;
    else if(start_pause) mode<=~mode;
    else begin
        mode<=mode;
    end
end

always@(posedge CLK, negedge reset)begin
    if(!reset) begin
        cin_reg <=3'b0;
    end
    else begin 
        cin_reg <={cin_reg[1:0], cin};
    end
end
assign cin_p = ~cin_reg[2] && cin_reg[1];

always@(posedge CLK, negedge reset)begin
    if(!reset) begin //復位
        count <= 4'b0;
        cout <= 0;
    end
    else if(set==1'b1)begin//設定時間
        count <= scount;
        cout <=0;
    end
    else begin//自增
        if(count >= base)begin
            cout <= 1;
            count <=4'b0;
        end
        else if(cin_p && mode==1'b1) begin
            count <=count+1;
            cout<=0;
        end
        else begin
            count<=count;
            cout<=0;
        end
    end
end
endmodule

1位倒計時器

與計時器相仿，減一個數等價于加上其補碼，-1→+15

  • decounter.v

    `timescale 1ns / 1ps

module decounter #(parameter base = 10)(
    input CLK,
    input cin,
    input reset,
    input set,
    input start_pause,
    input [3:0] scount,
    
    output reg[3:0] count,
    output reg cout);
    
reg [2:0] cin_reg;
wire cin_p;
reg mode;//1開始 0暫停

always@(posedge CLK, negedge reset)begin
    if(!reset) mode<=1'b0;
    else if(start_pause) mode<=~mode;
    else begin
        mode<=mode;
    end
end

always@(posedge CLK, negedge reset)begin
    if(!reset) begin
        cin_reg <=3'b0;
    end
    else begin 
        cin_reg <={cin_reg[1:0], cin};
    end
end
assign cin_p = ~cin_reg[2] && cin_reg[1];

always@(posedge CLK, negedge reset)begin
    if(!reset) begin //復位
        count <= 4'b0;
        cout <= 0;
    end
    else if(set==1'b1)begin//設定時間
        count <= scount;
    end
    else begin//自增
        if(cin_p && mode==1'b1) begin
            if(count !=0 ) count <=count + 4'd15;
            else begin
                count <=base-1;
                cout <= 1;
            end
        end
        else begin
            count<=count;
            cout<=0;
        end
    end
end

endmodule

3 輸入處理模塊in_out.v

輸入：未處理的按鍵接線

輸出：處理后按鍵接線

  • 按鍵消抖

  • 判斷Button按下

按鍵消抖

由于按鍵輸入可能存在的抖動與對板載時鐘的異步輸入，所以要進行消抖與同步處理，

這里采用了簡單的串聯觸發器構成的同步器，通過三級或更多級觸發器，使得最終采樣到的信號為亞穩態的概率盡可能小，即輸出趨于穩定，

  • module debounce

    module debounce(
        input CLK,
        input key_in,
        output key_out
);
reg delay1;
reg delay2;
reg delay3;
always@(posedge CLK)begin
        delay1 <= key_in;
        delay2 <= delay1;
        delay3 <= delay2;
end
assign key_out = delay3;
endmodule

判斷Button按下

按下，電位由低變高（或相反），存在一個上升沿，能不能用posedge檢測上升沿來檢測按鍵按下？

本著老師所說的控制信號與其他信號分開處理的要求，這里采取了連續采樣寄存多次Button信號，通過判斷臨近兩位是否出現相反的電位，來確定是否出現了上升沿，（相當于又做了一次同步？？,感覺這里處理的不簡練）

  • btn_down

    wire btnu;
reg [2:0] btnu_reg;
assign btnu_down = ~btnu_reg[2]&(btnu_reg[1]);
always@(posedge CLK)begin
   btnu_reg<= {btnu_reg[1:0], btnu};
end

5 24小時時鐘，計時，秒表模塊

??輸入：
各時鐘與復位信號：CLK，clock_clk，scan_clk，Reset
設定時間，開始/暫停，高位顯示信號

??輸出：
設定時間值，輸出時間值，數碼管信號

  • 例化counter，采用逐級進位

    counter #(6) s1_counter(
            .CLK(CLK),
            .reset(Reset&&~reset),
            .set(set),
            .start_pause(start_pause),
            .cin(cout[0]),
            .scount(setsecond1),
            .count(second1),
            .cout(cout[1])
);

  • 掃描

    reg [2:0] sel; 
always@(posedge scan_clk, negedge Reset)begin
    if(!Reset) sel<=0;
    else if(sel==3) sel<=0;
    else sel <= sel+1;
end  

always@(posedge scan_clk, negedge Reset)begin
    if(~Reset || full)begin
       {seln, clock_seg} <= 12'b1101_0000001_1;
    end
    else if(~display_h)begin
        case(sel)      
            3'd0:{seln, clock_seg} <= {4'b0111, encoder(minute1), 1'b1};
            3'd1:{seln, clock_seg} <= {4'b1011, encoder(minute2), dot };
            3'd2:{seln, clock_seg} <= {4'b1101, encoder(second1), 1'b1};
            3'd3:{seln, clock_seg} <= {4'b1110, encoder(second2), dot };
            default:{seln, clock_seg} <= 12'b1011_0000000_0;
        endcase
    end
    else begin
        case(sel)      
            3'd0:{seln, clock_seg} <= {4'b0111, encoder(hour1),   1'b1};
            3'd1:{seln, clock_seg} <= {4'b1011, encoder(hour2),   dot };
            3'd2:{seln, clock_seg} <= {4'b1101, encoder(minute1), 1'b1};
            3'd3:{seln, clock_seg} <= {4'b1110, encoder(minute2), dot };
            default:{seln, clock_seg} <= 12'b0111_0000000_0;
        endcase
    end
end

  • 譯碼器（函式）

    function [6:0]encoder;
    input [3:0] dec;
    begin
        case(dec)
           4'd0: encoder = 7'b0000_001;
           4'd1: encoder = 7'b1001_111;
           4'd2: encoder = 7'b0010_010;
           4'd3: encoder = 7'b0000_110;
           4'd4: encoder = 7'b1001_100;
           4'd5: encoder = 7'b0100_100;
           4'd6: encoder = 7'b0100_000;
           4'd7: encoder = 7'b0001_111;
           4'd8: encoder = 7'b0000_000;
       4'd9: encoder = 7'b0000_100;
       default: encoder = 7'b1000_000;
      endcase
    end
endfunction

正倒計時模塊：正計時與24小時時鐘模塊相同，倒計時采用decounter即可

秒表：接入ms_clk即可，其他與時鐘相同

6 鬧鐘

輸入同上，另增一鬧鐘開關輸入

輸出另增一beep輸出，用于響鈴

思路：記錄所設定的鬧鐘時間，與時鐘時間比較，判斷是否觸發響鈴，

  • 響鈴邏輯beep

    output reg beep；
always@(posedge clock_clk, negedge Reset)begin
    if(~Reset)begin                    
       count <= 4'b0;
       pre <= 1'b0;
       count <=4'b0;
    end  
    else if(onclk && start)begin //到時間
            pre <=1;
            count<=0;
            beep <=1;
    end
    else if(pre==1 && count <4'd5)begin
        count<= count+1;
    end
    else if(pre==1 && count>=4'd5)begin
        pre<=0;
        count<=0;
        beep<=0;
    end
    else begin
        pre<=pre;
        count<=count;
        beep<=beep;
    end
end

7 時間設定

輸入：各控制信號，按鍵信號

輸出：所設定的時間

維護reg [5:0] setbit;通過左右按鍵調整設定哪一位，上下按鍵增減數值，

按鍵功能：

SW15顯示高位
SW14鬧鐘開關
SW13功能歸零reset高有效
SW6秒表
SW5鬧鐘
SW4倒計時
SW3正計時
SW2時鐘
SW1設定時間
SW0全域復位

按鍵去抖動：

(154條訊息) FPGA中的按鍵消抖_Super-fei的博客-CSDN博客_fpga按鍵消抖

Verilog——FPGA按鍵去抖操作_Footprints明軒的博客-CSDN博客

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