多功能数字钟设计实验报告

院系：电子与通信工程学院

姓名：郭世康

班级：1301

学号：U201313639

指导教师：唐祖平

一、 实验目标

掌握可编程逻辑器件的应用开发技术

——设计输入、编译、仿真和器件编程

熟悉EDA软件使用

掌握Verilog HDL设计方法

分模块、分层次数字系统设计

二、 实验内容要求

基本功能

能显示小时、分钟、秒钟（时、分用显示器，秒用LED）

能调整小时、分钟的时间

提高要求

任意闹钟；（1分）

小时为12/24进制可切换（1分）

报正点数（几点钟LED闪烁几下）（1分）

三、 实验条件

Xilinx工程环境，win7操作系统，BASYS2实验板。

四、 实验设计

1.设计分析

数字钟大体上由2个60进制计数器，1个24进制计数器构成，中间有数据选择器进行连接。为实现提高功能，还需12进制计数和整点判断模块。下图为数字钟层次结构图。

2. 实验原理 振荡器产生稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器

输出标准秒脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器满60后向小时计数器进位，小时计数器按24或12进制规律计数。计数器的输送译码显示电路，即可显示出数码（即时间）。计时出现误差时可以用校时电路进行校时和校分。小时显示（12\24）切换电路、仿电台报时、定时闹钟为扩展电路，只有在计时主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。本实验采用Verilog HDL进行描述，然后用FPGA/CPLD实现，使用内部50MHz晶振作为时钟电路。

3. 逻辑设计

实现上述功能的Verilog HDL

程序如下。实现基本功能的程序分为两层次四个模块，底层有3个模块构成，即6进制计数器模块，10进制计数器模块和24进制计数器模块，顶层有一个模块，他调用底层的3个模块完成数字中的计时功能。

module

timeclock(Hour,Minute,Second,CP,nCR,EN,Adj_Min,Adj_Hour,number,Light,clk,temp,change,AMTM,dingdong);

output [7:0] Hour,Minute,Second;

output [3:0] Light,temp;

output [6:0] number;

output clk,AMTM,dingdong;//clk为分频之后的时钟信号，频率为1Hz，AMTM为24进制转换12进制时表明上下午的变量，dingdong为整点报时时的闪烁信号。

input CP;//输入的时钟信号，需分频后才能正常使用。

input nCR;//清零

input EN,change;//EN为使能信号，change为12/24进制转换开关。 input Adj_Min;//校分控制

input Adj_Hour; //校时控制

wire [7:0] Hour,Minute,Second;

reg clk;

reg [29:0] count,count1;//分频需要的计数器

reg [1:0] scan;//扫描时需要的计数器

reg [3:0] Light,temp;//4Bit 变量Light代表四个数码管，temp表示数码管需要显示的数字 reg [6:0] number;//number代表7个发光二极管

reg clk1;//为分频后的扫描频率

supply1 Vdd;

wire MinL_EN,MinH_EN,Hour_EN;//中间变量

// Hour,Minute,Second counter//

//60进制秒计数器

counter10 U1(Second[3:0],nCR,EN,clk);//个位

counter6 U2(Second[7:4],nCR,(Second[3:0]==4'h9),clk);//十位

//产生分钟计数器使能信号。Adj_Min=1，校正分钟；Adj_Min=0，分钟正常计时 assign MinL_EN=Adj_Min?Vdd:(Second==8'h59);

assign

MinH_EN=(Adj_Min&&(Minute[3:0]==4'h9))||((Minute[3:0]==4'h9)&&(Second==8'h59));

//60进制分钟计数器

counter10 U3(Minute[3:0],nCR,MinL_EN,clk);

counter6 U4(Minute[7:4],nCR,MinH_EN,clk); //产生小时计数器使能信号。Adj_Hour=1，校正小时；Adj_Hour=0，小时正常计时

assign Hour_EN=Adj_Hour?Vdd:((Minute==8'h59)&&(Second==8'h59)); //24进制和12进制可切换的小时计数器 counter24 U5(Hour[7:4],Hour[3:0],nCR,Hour_EN,clk,change,AMTM); //整点报时模块

dingdong

U6(clk,nCR,Minute[7:4],Minute[3:0],Hour[7:4],Hour[3:0],dingdong); //分频 always @(posedge CP) begin if(~nCR) count<=30'd00;

else if(count==30'd25000000) begin count<=30'd00; clk=~clk; end else count<=count+1'b1;

end //产生1Hz的频率

always @(posedge CP) begin if(~nCR) count1<=30'd00;

else if(count1==30'd100000) begin count1<=30'd00; clk1=~clk1; end

else count1<=count1+1'b1;

end //产生扫描用的频率

//扫描计数器

always @(posedge clk1)

begin

if(~nCR) scan<=2'b00;

else if(scan==2'b11) scan<=2'b00;

else scan<=scan+1'b1; end

//扫描 always @ (scan[1:0]) begin case(scan[1:0]) 2'b00: Light<=4'b0111; 2'b01: Light<=4'b1011; 2'b10: Light<=4'b1101; 2'b11: Light<=4'b1110; endcase end

//显示数字

always @ (scan[1:0])

begin case(scan[1:0]) 2'b00: temp<=Hour[7:4]; 2'b01: temp<=Hour[3:0]; 2'b10: temp<=Minute[7:4]; 2'b11: temp<=Minute[3:0]; endcase end

always @(temp) begin case(temp) 4'd0:number<=7'b0000001; //0

4'd1:number<=7'b1001111; //1

4'd2:number<=7'b0010010; //2 4'd3:number<=7'b0000110; //3 4'd4:number<=7'b1001100; //4 4'd5:number<=7'b0100100; //5 4'd6:number<=7'b0100000; //6 4'd7:number<=7'b0001111; //7 4'd8:number<=7'b0000000; //8 4'd9:number<=7'b0000100; //9 default:number<=7'b0000001; endcase end

endmodule

module dingdong(clk,ncr,minuteh,minutel,hourh,hourl,dingdong); input ncr; input clk; input [3:0] minuteh,minutel; input [3:0] hourh,hourl; output reg dingdong; integer i=0; reg en; always@(posedge clk or negedge ncr) begin if(~ncr) begin

dingdong<=0;

end else if((minuteh==4'd5)&&(minutel==4'd9)) begin i=0; en<=1; end else if((i<(hourh*20+hourl*2))&&(en)) begin dingdong<=~dingdong; i=i+1; end else if(i==(hourh*20+hourl*2)) en<=0; else dingdong<=0; end

endmodule module counter10(Q,nCR,EN,CP); output [3:0] Q; input CP; input nCR; input EN;

reg [3:0] Q;

always @(posedge CP or negedge nCR)

begin

if(~nCR) Q<=4'b0000;//nCR=0，计数器被异步清零

else if(~EN) Q<=Q;//EN=0，暂停计数

else if(Q==4'b1001) Q<=4'b0000;

else Q<=Q+1'b1;//计数器增加1

end

endmodule module counter6(Q,nCR,EN,CP); output [3:0] Q; input CP; input nCR; input EN;

reg [3:0] Q;

always @(posedge CP or negedge nCR)

begin

if(~nCR) Q<=4'b0000;

else if(~EN) Q<=Q;

else if(Q==4'b0101) Q<=4'b0000;

else Q<=Q+1'b1;

end

endmodule

module counter24(CntH,CntL,nCR,EN,CP,change,AMTM); output [3:0] CntH; output [3:0] CntL;

output AMTM; input nCR;

input EN;

input CP,change;

reg [3:0] CntH,CntL;

reg AMTM;

always @(posedge CP or negedge nCR)

begin

if(~nCR) {CntH,CntL}<=8'h00;//清零 else if(change==0)//判断12或者24小时进制。change=0时为24进制，change=1时为12进制 begin AMTM<=0;//上下午显示关闭

if(~EN) {CntH,CntL}<={CntH,CntL};//暂停计数 else

begin

if((CntH>4'b0010)||(CntL>4'b1001)||((CntH==4'b0010)&&(CntL>=4'b0011))) {CntH,CntL}<=8'h00; else if((CntH==4'b0010)&&(CntL<4'b0011)) begin CntH<=CntH; CntL<=CntL+1'b1; end else if(CntL==4'b1001) begin CntH<=CntH+1'b1; CntL<=4'b0000; end

else

begin CntH<=CntH; CntL<=CntL+1'b1; end

end end//24进制小时计数模块完成

else if(change==1)//进入12小时计数模块

begin

if(CntH>=4'b0001&&CntL>4'b0010) begin CntH<=CntH-1'b1;

CntL<=CntL-2'b10; AMTM<=1; end//AMTM=1.，表示为下午 else if(~EN) {CntH,CntL}<={CntH,CntL}; else

begin

if((CntH>4'b0001)||(CntL>4'b1001)||((CntH==4'b0001)&&(CntL>=4'b0010))) begin {CntH,CntL}<=8'h01; AMTM<=~AMTM; end//完成一次12小时计数，AMTM翻转一次，表示上下午的转换 else if((CntH==4'b0001)&&(CntL<4'b0001)) begin CntH<=CntH; CntL<=CntL+1'b1; end else if(CntL==4'b1001) begin CntH<=CntH+1'b1; CntL<=4'b0000; end else begin CntH<=CntH; CntL<=CntL+1'b1; end

end

end//12进制小时计数完成 end

endmodule

4.仿真波形 Counter10：

Counter6：

Counter24

：

24

进制时：

12进制时：

总体波形：

注：number，temp等没有显示，change=0，即仿真波形为24进制。

五、 调试过程

1. 调试步骤

首先设置引脚接口，其代码如下：

引脚代码：

NET "Light[0]" LOC = F12;

NET "Light[1]" LOC = J12;

NET "Light[2]" LOC = M13;

NET "Light[3]" LOC = K14;

NET "number[6]" LOC = L14;

NET "number[5]" LOC = H12;

NET "number[4]" LOC = N14;

NET "number[3]" LOC = N11;

NET "number[2]" LOC = P12;

NET "number[1]" LOC = L13;

NET "number[0]" LOC = M12;

NET "Second[0]" LOC = M5;

NET "CP" LOC = B8;

NET "nCR" LOC = L3;

NET "EN" LOC = P11;

NET "Adj_Hour" LOC = B4;

NET "Adj_Min" LOC = K3;

NET "change" LOC = G3;

NET "AMTM" LOC = M11;

NET "dingdong" LOC = P7;

接着连接BASYS2实验板，将程序下载到板子上，观看结果。

2. 调试过程中遇到的问题及解决办法

在调试过程中，观察到四个数码管都显示为8，通过检查确定原因为扫描频率过高，将扫描频率降低，结果正常显示。

3. 实验结果

在BASYS2实验板上观察到时钟运行正常，清零功能以及暂停功能可以正确实现，可以正常校正时间以及切换12/24小时进制，整点报时功能也能正确实现。

六、 实验总结

本次实验需要使用Xilinx进行软件编译，通过这次实验，加深了对verilog语句的了解，了解了数字钟的工作原理以及对拓展功能如整点报时的原理。实验中几乎完全为软件编译代码，需要有一个非常准确的布局观念以及一个正确的流程认知，这就运用到了分层次设计的方法，这种方法对我们以后的硬件设计有着非常大的帮助。变异过程非常容易出错，所以要有耐心、细心以及毅力才能完成整个实验，正确进行仿真，然后下载软件到板子上进行结果观察。总而言之，通过这次试验我收获颇丰。