基于FPGA的自动打铃系统的设计与实现.doc

自动打铃系统设计说明书学 生 姓 名： 罗 衡学 号 业 班 级：电子09-2BF报告提交日期：2011-11-28湖 南 理 工 学 院 物 电 学 院目 录一、题目及要求简介11. 设计题目12.总体要求简介1二、设计方案说明1三、各部分功能介绍及程序21.系统框图22.选择的FPGA芯片及配置23.各模块（元件）说明2四、仿真结果41.计时进位42.手动校时53.六点整闹铃5五、说明51.输入激励信号说明52.输出结果说明6六、源程序61.顶层模块62. 模式控制子模块73. 计时及调整子模块84. 闹铃及调整子模块105. 显示子模块11七、参考文献14一、设计题目及要求简介1.设计题目基于FPGA的自动打铃系统的设计与实现2.总体要求简介（1）基本计时和显示功能 24小时制显示 动态扫描显示 显示格式：88-88-88（2）能设置当前时间(含时、分)（3）能实现基本打铃功能，上午06:00起床铃，打铃5秒2、 设计方案说明本系统采用自顶向下的模块化设计方法，将数字闹钟按照功能实现分为模式控制模块、计时及调整模块、闹铃及调整模块、显示模块。系统调整部分软件控制流程示意图如图2-1所示。开始mode120校时功能闹铃功能计时功能调整小时LD_hour亮调整小时turn切换切换LD_min亮调整分钟调整分钟changeLD_alert亮返回计时返回计时图2-13、 各部分功能介绍及程序1.系统框图顶层电路主要由FPGA实现，输出信号接到八位数码管、LED指示灯及扬声器上，系统框图如图3-1所示。Altera AlertLD_alertLD_hourLD_minseldecodeoutclkclk_1k mode turn change顶层模块八位数码管显示模块图3-12. 选择的FPGA芯片及配置本系统选择ACEX1K系列的EP1K10TC100-3芯片，由于FPGA器件是基于SRAM结构的，具有易失性，在此采用被动串行配置(PS)方式，由外部的计算机控制配置过程，使用USB-Blaster下载电缆下载程序。3.各模块（元件）说明3.1 顶层文件端口说明module alarmclock(clk,clk_1k,mode,change,turn,sel,decodeout,alert,LD_alert,LD_hour,LD_min);input clk,clk_1k,mode,change,turn;output alert,LD_alert,LD_hour,LD_min;output2:0 sel;output7:0 decodeout;reg7:0 hour,min,sec,hour1,min1,sec1,ahour,amin;reg1:0 m,fm,num1,num2,num3,num4;reg1:0 loop1,loop2,loop3,loop4,sound;reg LD_alert,LD_hour,LD_min;reg clk_1HZ,clk_2HZ,minclk,hclk;reg alert1,ear;reg count1,count2,counta,countb;wire ct1,ct2,cta,ctb,m_clk,h_clk;reg 2:0 sel;reg 7:0 decodeout;3.2 顶层文件引脚映射说明输入引脚5个，输出引脚15个，映射关系如图3-2所示。图3-23.23各子模块说明模式控制子模块此模块通过mode信号0、1、2三种状态的控制，使系统分别在计时、闹铃、校时三种模式下工作。计时及调整子模块当mode信号为0时，在基准时钟信号clk下，系统按60进制加1计时；当mode信号为2时，若检测到turn信号的脉冲时，在校对小时和分钟之间作切换，当前的调整状态可通过LD_hour或LD_min指示灯查看，change信号每来一个脉冲，计数器加1，这样可以将系统当前的时间调到任意时刻。闹铃及调整子模块此模块下，mode信号为2，当检测到turn信号的脉冲时，闹铃定时在小时和分钟之间作切换，当前的调整状态可通过LD_hour或LD_min指示灯查看，change信号每来一个脉冲，计数器加1，这样可以给系统设置任意时刻的闹铃，设置完成之后LD_alert指示灯会常亮（注：此模块程序中已经加入了六点整闹铃控制语句）。显示子模块此模块用于将实时时间（包括调整过程中时钟的状态）输出到八位数码管中，通过sel信号位选的控制动态扫描显示当前时钟。4、 仿真结果1. 计时进位（以23:59:59为例）当秒计时满59时，向分钟进位并重新开始计时；当分钟计时满59时，向小时进位并重新开始计时；当小时计时满23时，清零并重新开始计时，23:59:59时刻后从00:00:00重新开始计时，仿真波形如图4-1所示。图4-12. 手动校时（以06:05为例）给mode输入2个连续的高脉冲使系统进入校时模式，再给change输入6个连续高脉冲使小时调到六点，此过程中LD_hour指示灯亮，再给turn一个高脉冲切换到调分钟状态，再给change输入5个连续高脉冲使小时调到五分钟，此过程中LD_min指示灯亮，再给mode一个高脉冲回到计时模式，此后系统从06:05分开始计时，仿真波形如图4-2所示。图4-23. 六点整闹铃闹铃指示灯LD_alert常亮表明已经设置闹铃，06:00开始闹铃5秒，仿真波形如图4-3所示。图4-3五、说明1.输入激励信号说明clk：标准时钟信号；clk_1k：数码管扫描时钟；mode：功能模式控制信号，为0：计时功能；为1：闹铃功能；为2：校时功能；turn：接按键，在手动校时功能时，选择调整小时/分钟；change：接按键，手动调整时，每按一次，计数器加1；2. 输出结果说明alert：输出到扬声器的信号，用于产生闹铃声；sel：数码管位选信号，选择当前要显示的位置；decodeout：数码管段选信号，显示当前数字；LD_alert：接LED,灯亮表示设置了闹铃；LD_hour：接LED,灯亮表示正在调整小时；LD_min：接LED,灯亮表示正在调整分钟。六、源程序1、 顶层电路模块module alarmclock(clk,clk_1k,mode,change,turn,sel,decodeout,alert,LD_alert,LD_hour,LD_min);input clk,clk_1k,mode,change,turn;output alert,LD_alert,LD_hour,LD_min;output2:0 sel;output7:0 decodeout;reg7:0 hour,min,sec,hour1,min1,sec1,ahour,amin;reg1:0 m,fm,num1,num2,num3,num4;reg1:0 loop1,loop2,loop3,loop4,sound;reg LD_alert,LD_hour,LD_min;reg clk_1HZ,clk_2HZ,minclk,hclk;reg alert1,ear;reg count1,count2,counta,countb;wire ct1,ct2,cta,ctb,m_clk,h_clk;reg 2:0 sel;reg 7:0 decodeout;/调用子模块modecontrol modecontrol(mode,change,turn,m,count1,count2,counta,countb);timer timer(m,clk,count1,counta,turn,hour1,min1,sec1);bell bell(clk,ear,ct2,ctb,alert1,hour1,min1,sec1,ahour,amin);display display(m,hour1,min1,sec1,ahour,amin,sel,decodeout);endmodule2.模式控制子模块module modecontrol(mode,change,turn,m,count1,count2,counta,countb);input mode,change,turn;output m,count1,count2,counta,countb;reg count1,count2,counta,countb;reg LD_hour,LD_min;reg fm,m;always (posedge mode) /控制系统在三种功能间转换begin if(m = 2) m = 0;else m = m+1; end always (posedge turn)fm= fm;always /产生count1,count2,counta,countb四个信号begincase(m)2:begin if(fm) /校时模式begin count1 = change; LD_min,LD_hour = 2; endelsebegin counta = change; LD_min,LD_hour = 1; endcounta,countb = 0; end1:begin if(fm) /闹铃模式 begin count2 = change; LD_min,LD_hour = 2; endelse begin countb = change; LD_min,LD_hour = 1; end count1,countb = 2b00; end default:count1,count2,counta,countb,LD_min,LD_hour = 0; /计时模式 endcaseendendmodule3.计时及调整子模块module timer(m,clk,count1,counta,turn,hour1,min1,sec1);input m,clk,count1,counta,turn;output7:0 hour1,min1,sec1;reg1:0 num3,num4,loop3,loop4;reg ct1,cta;reg clk_1HZ,clk_2HZ,minclk,hclk,m_clk,h_clk;always (posedge clk)clk_2HZ=clk_2HZ;always (posedge clk_2HZ) clk_1HZ=clk_1HZ;always (negedge clk)if(count1)begin if(loop3 = 3) num3 = 1;else begin loop3 = loop3+1;num3 = 0; endendelse begin loop3 = 0; num3 = 0; endalways (negedge clk)if(counta)begin if(loop4 = 3) num4 = 1;else begin loop4 = loop4 + 1; num4 = 0; endendelse begin loop4 = 0;num4 = 0; endassign ct1=(num3&clk)|(!num3&m_clk);/ct1用于及计时、较时中的分钟计数assign cta=(num4&clk)|(!num3&h_clk);/cta用于及计时、较时中的小时计数always (posedge clk_1HZ) /秒计时和秒调整进程if(!(sec18h59)|turn&(!m)begin sec1 = 0; if(!(turn&(!m) minclk = 1; end /按住turn秒信号清0else begin if(sec13:0 = 4b1001)begin sec13:0 = 4b0000; sec17:4 = sec17:4 + 1;end else sec13:0 = sec13:0 + 1; minclk = 0; end assign m_clk = minclk | count1;always (posedge ct1)/分计时和分调整进程beginif(min1 = 8h59) begin min1 = 0;hclk = 1; endelse begin if(min13:0 = 9)begin min13:0 = 0; min17:4 = min17:4 + 1; endelse min13:0 = min13:0 + 1; hclk = 0;endendassign h_clk = hclk | counta;always (posedge cta)/小时计时和小时调整进程 if(hour1 = 8h23) hour1 = 0; elseif(hour13:0 = 9)begin hour17:4 = hour17:4 + 1; hour13:0 = 0; endelse hour13:0 = hour13:0 + 1; endmodule4.闹铃及调整子模块module bell(clk,ear,ct2,ctb,alert1,hour1,min1,sec1,ahour,amin);input clk,ct2,ctb,count2,countb;outputalert,ahour,amin;reg1:0 num1,num2,loop1,loop2;reg7:0 ahour,amin;reg ct2,ctb;reg alert,alert1,ear,sound;always (posedge clk)begin if(sound = 3) begin sound = 0;ear=1; end /ear用于产生或屏蔽声音信号else begin sound = sound + 1;ear = 0; end endalways (negedge clk) /如果长按change信号,则生成num1信号用于连续快速加1 if(count2)begin if(loop1 = 3) num1 = 0;else begin loop1 = loop1 + 1;num1 = 0; endendelse begin loop1 = 0; num1 = 0; endalways (negedge clk)if(countb)beginif(loop2 = 3)num2 = 1;else begin loop2 = loop2+1;num2 = 0;endendelse begin loop2 = 0; num2 = 0; endassign ct2 = (num1&clk)|(!num1&count2);/ct2用于定时状态下调整分钟信号assign ctb = (num2&clk)|(!num2&countb);/ctb用于定时状态下调整小时信号always (posedge ct2)/闹钟定时功能中的分钟调整进程if(amin = 8h59) amin = 0;elseif(amin3:0 = 9)begin amin7:4 = amin7:4 + 1; amin3:0 = 0; endelse amin3:0 = amin3:0 + 1; always (posedge ctb)/闹钟定时功能中的小时调整进程if(ahour = 8h23) ahour = 0;elseif(ahour3:0 = 9)begin ahour7:4 = ahour7:4 + 1; ahour3:0 = 0; endelse ahour3:0 = ahour3:0 + 1; always begin ahour=8h06;amin=8h00;asec=8h00; endalways /六点钟闹铃，持续5秒 begin if(hour1=ahour)&(min1=8h00)&(sec18h05) alert1=1; else alert1=0; end assign alert=(alert1)?clk_1k&clk:0); /产生闹铃音 Endmodule5.显示子模块module display(m,hour1,min1,sec1,ahour,amin,sel,decodeout);input7:0 hour1,min1,sec1,ahour,amin;input clk_1k;output2:0 sel;output decodeout;reg7:0 hour,min,sec,hour1,min1,sec1,ahour,amin;reg23:0 din;reg2:0 sel;reg3:0 dec;reg7:0 decodeout;alwayscase(m)3b00: begin hour = hour1; min = min1; sec = sec1; end/计时状态下的时、分、秒显示3b01: begin hour = ahour; min = amin; sec = 8hzz; end/定时状态下的时、分、秒显示3b10: begin hour = hour1; min = min1; sec = 8hzz; end/校时状态下的时、分、秒显示endcaseassign LD_alert = (ahour|amin)?1:0; /指示