基于小腳丫FPGA開發(fā)板和四位數碼管 的數字時鐘設計

1、設計要求

基于小腳丫FPGA開發(fā)板和四位數碼管實現數字時鐘的設計，要求：

1)采用FPGA+按鍵+四位數碼管實現數字時鐘功能；

2)時間顯示格式：XX:XX:XX (時：分：秒)，采用24小時制；

3)四位數碼管顯示時分秒，可以通過按鍵控制選擇顯示時分界面還是分秒界面。

4)通過按鍵設定初始時間。

5)設置在整點12點時，通過蜂鳴器響示意整點報時。蜂鳴器響維持大概5S；

2、硬件連接

FPGA的系統時鐘來自于小腳丫FPGA開發(fā)板配置的24MHz時鐘晶振，連接FPGA的C1引腳。

本設計用到五個個按鍵K1~K5，硬件設計如圖1所示，五個按鍵分別連接到FPGA的B8、C8、A10、A11和A12引腳。

圖1. 按鍵硬件設計

本設計用到一個蜂鳴器來示意整點報時，硬件設計如圖1所示，蜂鳴器連接到FPGA的B2引腳。

圖2. 蜂鳴器硬件設計

本設計用到四位數碼管來顯示時間，四位數碼管用兩個74HC595驅動，硬件設計如圖1所示，74HC595的串行時鐘SCK、并行時鐘RCK和串行數據DIN分別連接到FPGA的N2、M1和K1引腳上。

圖3. 數碼管驅動74HC595硬件設計

3、工作原理

1)使用計數器做分頻處理，得到周期為1秒的脈沖信號；

2)使用三個8bit的BCD碼表示時鐘、分鐘、秒鐘的值，其中高4bit表示值的十位，低4bit表示值的個位；

3)正常運行時，每來一個1S脈沖信號個位加1，個位滿10清零同時十位加1，當秒鐘滿60清零同時分鐘個位加1，依次進行...直到23:59:59的下一刻全部清零；

4)按鍵K5，模式調節(jié)，設計共分4中模式（分秒顯示、分秒調節(jié)、時分顯示、時分調節(jié)），按動K5依次切換模式；

5)按鍵K2，時間調節(jié)，當數字時鐘在時針調節(jié)、分針調節(jié)或秒針調節(jié)模式時，按動K2調節(jié)對應時間位；

6)在調時分和調分秒兩個狀態(tài)，可以通過K4和K2鍵分別左移右移要調整的位，要調整的位會通過對應位的閃爍來示意。通過K4和 K2左右移動選擇好要調整的位以后，就可以通過K1和K3來增大或調小對應的位；

4、代碼設計

為了實現所需要的功能，我們將整個設計劃分不同的模塊，如圖4所示。

圖4. 數字時鐘程序設計框架

4.1 五位按鍵消抖模塊

圖5. 五位按鍵消抖模塊

• ?輸入：五位的按鍵電平信息輸入

• ?輸出：五位消抖后的脈沖輸出

• ?功能：將按鍵按下一次的電平信號，經過消抖后變成一個維持一個時鐘周期的脈沖信號；

• ?原理：

圖6. 按鍵抖動特性

FPGA過20ms檢測按鍵是否按下，存儲檢測到的值，并且按位取反與前一個20ms檢測的值相與，得到一個值，如果為1，則判斷按鍵按下，否則則無按下。

圖7. FPGA按鍵的理解示意圖

4.2 電子表顯示控制模塊。

圖8. 電子表顯示控制模塊

• ?輸入：五位的按鍵脈沖

• ?輸出：十六位的BCD碼輸出，每四個代表一個十進制數；

• ?原理：四位的位閃爍控制信號。某一位為一代表這位對應的數碼管的一位進行閃爍顯示。（在調整狀態(tài)下，會讓當前調整的哪一位進行閃爍。正常顯示狀態(tài)下seg_flash_data全為零）；

• ?功能：主要就是一個狀態(tài)機，通過檢查輸入的按鍵信息，進行顯示狀態(tài)切換，時間調整。四個狀態(tài)分別為：顯示分秒，調分秒，時分顯示，調時分；當K5按鍵按下（key_pulse[4]）時依次跳轉，如圖9所示。

圖 9. 數字時鐘狀態(tài)控制設計

4.3 數碼管譯碼模塊

圖10. 數碼管譯碼模塊

• ?輸入：四位的BCD碼數據

• ?輸出：八位的七段數碼數據

• ?功能：一個case語句，將輸入的四位BCD碼轉化為七段數碼數據；

• ?原理：數碼管分為共陽極數碼管和共陰極數碼管。共陽數碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數碼管，共陽極（COM）需接+5V才能使其工作。共陰數碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數碼，共陰極（COM）需接GND才能使其工作。小腳丫拓展板上的數碼管如下圖所示:

圖11. 數碼管內部電路

共陰極數碼管：

位選為低電平（即0）選中數碼管；各段選為高電平（即接+5V時）選中各數碼段；由0到f的編碼為:

4.4 四位數碼管顯示控制模塊。

圖12. 數碼管顯示控制模塊

• ?輸入：四個八位的七段數碼管數據和位閃爍控制信號seg_flash_data.

• ?輸出：需要串行輸出給74HC595的十六位數據；

• ?功能：模塊就是循環(huán)的將四位七段數碼數據，組合一個十六位的輸出數據；

4.5 74HC595驅動功能模塊

圖13. 74HC595驅動功能模塊

• ?輸入：十六位的位選段選數據。

• 1)duan_wei_data[13:0]分別對應:

• 2)[ X,X,H+,H-,DIG4,DIG3,DIG2,DIG1,DP,G,F,E,D,C,B,A] ;

• ?輸出：SPI接口輸出，串行輸出十六位位選段選信號；

• ?功能：將輸入的并行的十六位的位選段選數據通過SPI接口轉化為串行輸出；

• ?原理：詳見Text8.數碼管顯示及74HC595芯片資料

5、系統運行

圖14. 系統運行

視頻地址：

https://v.youku.com/v_show/id_XMTM5MDE4OTE2MA==.html?from=s1.8-1-1.2

6、資源報告

7、知識點

?時鐘計數分頻?按鍵消抖處理

?功能建模

?波形仿真

?SPI時序實現

?74HC575數碼管驅動原理

8、參考文檔

Lattice MachXO2數據手冊

9、相關文件