利用VHDL語(yǔ)言與FPGA器件設(shè)計(jì)數(shù)字日歷

基于FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字日歷可以實(shí)現(xiàn)以軟件方式設(shè)計(jì)硬件的目的，無(wú)需購(gòu)買專用數(shù)字芯片，從而克服了傳統(tǒng)利用多片數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字日歷存在焊接麻煩、調(diào)試繁瑣、成本較高等問(wèn)題。而且，基于FPGA的數(shù)字日歷與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)速度、降低成本、計(jì)時(shí)精度、功能實(shí)現(xiàn)上都得到大幅度提升，能夠更好地滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?/p>

本文介紹如何利用VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)具有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)顯示功能，時(shí)間調(diào)整功能和整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能的數(shù)字日歷。在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，建立各個(gè)基本模塊，再構(gòu)建成一個(gè)完整的基于FPGA設(shè)計(jì)的數(shù)字日歷的頂層模塊，然后對(duì)其進(jìn)行編譯、仿真、引腳鎖定，最終下載到可編程邏輯器件上進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

1數(shù)字日歷整體設(shè)計(jì)方案

基于FPGA的數(shù)字日歷設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。其原理框圖如圖1所示。整個(gè)數(shù)字日歷由六個(gè)部分組成：顯示控制部分，時(shí)分秒部分，年月日部分，定時(shí)與整點(diǎn)報(bào)時(shí)部分，星期部分，調(diào)整控制部分。秒、分、時(shí)分別由兩個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器和一個(gè)24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器組成。當(dāng)個(gè)計(jì)數(shù)器達(dá)到進(jìn)位的條件時(shí)向下一計(jì)數(shù)器進(jìn)位。同樣日、月、年也是由不同的計(jì)數(shù)器組成，當(dāng)達(dá)到所需進(jìn)位的條件時(shí)向下一計(jì)數(shù)器進(jìn)位，各計(jì)數(shù)器在進(jìn)位的同時(shí)分別把各自的結(jié)果輸出給顯示部分進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1數(shù)字日歷原理框圖

2數(shù)字日歷的工作原理

首先由外部振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號(hào)，作為數(shù)字日歷的時(shí)間基準(zhǔn)，然后經(jīng)過(guò)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，輸入到FPGA的CLOCK端，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。當(dāng)秒計(jì)數(shù)器滿60后向分計(jì)數(shù)器進(jìn)位，分計(jì)數(shù)器滿60后向小時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)位，小時(shí)計(jì)數(shù)器按照“24進(jìn)1”規(guī)律計(jì)數(shù)。計(jì)滿后各計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù)。日部分由于日有28天、29天、30天、31天4種情況，故日由年和月共同判斷其天數(shù)，日計(jì)滿后向月進(jìn)位，月滿后向年進(jìn)位。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送數(shù)碼管顯示。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分、校秒和校年、校月、校日。

設(shè)計(jì)中用到了6個(gè)按鍵K1，K2，K3，K4，ZHENG，NAO.其中K1用于切換顯示，剛開始時(shí)顯示日期，按兩次K1顯示星期+時(shí)間，再按兩次K1顯示定時(shí)時(shí)間，再按兩次重新顯示日期，以此循環(huán)。K2、K3和K4配合進(jìn)行調(diào)節(jié)：開始正常顯示不進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)按兩下K2鍵切換到對(duì)分鐘進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)每按兩下K3鍵分鐘加1；再按兩下K2鍵切換到對(duì)小時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)每按兩下K3鍵小時(shí)加1；依照分鐘→小時(shí)→星期→天→月→年→定時(shí)→正?！昼姷拇涡蜓h(huán)調(diào)節(jié)，每按兩下K2鍵切換到調(diào)節(jié)相應(yīng)顯示，此時(shí)每按下K3鍵兩次，對(duì)應(yīng)顯示加1；當(dāng)切換到定時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)，每按兩下K3鍵，定時(shí)的分鐘加1，此時(shí)按兩下K4鍵，切換到定時(shí)小時(shí)調(diào)節(jié)，每按兩下K3鍵，定時(shí)的小時(shí)加1.按鍵ZHENG和NAO為整點(diǎn)報(bào)時(shí)和定時(shí)鬧鐘的使能端（低電平有效）。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為秒分時(shí)、年月日、按鍵調(diào)整、控制顯示、鬧鐘等幾大模塊。設(shè)計(jì)好各子模塊，然后在原理圖編輯窗口創(chuàng)建頂層原理圖文件shuzirili.bdf，將各子模塊按照邏輯關(guān)系連接起來(lái)得到數(shù)字日歷電路核心部分的原理圖。下面對(duì)各子模塊設(shè)計(jì)及仿真進(jìn)行介紹。

3.1時(shí)分秒模塊

分和秒都是60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，小時(shí)則是24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，先對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)編譯，驗(yàn)證無(wú)誤后再將其組織到一起。外部時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)秒模塊的clk輸入，產(chǎn)生的進(jìn)位信號(hào)輸送到分模塊的clk，分模塊產(chǎn)生的進(jìn)位信號(hào)輸送到小時(shí)模塊的clk，構(gòu)成時(shí)分秒模塊。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2時(shí)分秒原理圖

3.2星期模塊

星期模塊為七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)自于調(diào)時(shí)電路產(chǎn)生的星期進(jìn)位脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)至6瞬間，計(jì)星期模塊返回0重新開始計(jì)數(shù)。

3.3年月日模塊

年月日模塊有daycounter模塊、days-control模塊、monthcounter模塊、yearcounter模塊組成，具有大小月判斷和閏年判斷功能，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3年月日連接框圖

下面以年月日模塊為例，連接好之后進(jìn)行編譯并仿真，閏/平年的2月仿真結(jié)果如圖4，圖5所示，年進(jìn)位如圖6所示。

圖4仿真結(jié)果（2008年2月）

圖5仿真結(jié)果（2005年2月）

圖6仿真結(jié)果（2004年12月）

年月日模塊計(jì)數(shù)設(shè)定為2000年～2999年，從圖4中可以看出2008年2月，計(jì)數(shù)到29天；從圖5得到2005年2月計(jì)數(shù)到28天；從圖6看出2004年12月計(jì)數(shù)到31天，設(shè)計(jì)正確。

3.4定時(shí)模塊

定時(shí)模塊通過(guò)按鍵K4來(lái)切換調(diào)節(jié)定時(shí)的分鐘和小時(shí)，調(diào)整功能由調(diào)時(shí)模塊的按鍵K3來(lái)完成，每按兩下K3對(duì)應(yīng)的顯示加1.

3.5調(diào)時(shí)模塊

調(diào)時(shí)模塊設(shè)計(jì)思想是：通過(guò)把整個(gè)設(shè)計(jì)中的上一個(gè)模塊（比如：分的上一個(gè)模塊是秒；年的上一個(gè)模塊是月，等等）的進(jìn)位輸出接到本模塊的輸入in，out接到下一個(gè)模塊的時(shí)鐘輸入。正常狀態(tài)下sout=fin，fout=hin，hout=din，dout=min，mout=yin，win=hout；當(dāng)每按下兩次K2鍵，產(chǎn)生一個(gè)上升沿分別對(duì)fin，hin，win，din，min，yin，dingshi調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)由K3給出。其中定義一個(gè)信號(hào)w，計(jì)數(shù)到7返0，對(duì)應(yīng)正常狀態(tài)，fin，hin，win，din，min，yin，dingshi 7個(gè)狀態(tài)。

當(dāng)K2每來(lái)一個(gè)上升沿時(shí)，分別對(duì)分，時(shí)，星期，天，月，年以及定時(shí)調(diào)整，調(diào)整信號(hào)由K3給出，經(jīng)仿真調(diào)時(shí)模塊結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求符合。

3.6控制模塊

控制模塊通過(guò)K1按鍵進(jìn)行切換顯示調(diào)整，起初顯示年月日，按下2次K1顯示時(shí)間，再按下2次顯示定時(shí)時(shí)間。

若仿真參數(shù)設(shè)置數(shù)值為：2013年05月15日，星期三，15：28（33 s），定時(shí)為07：19.仿真后結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，通過(guò)K1按鍵控制顯示，開始顯示年月日：20130515，當(dāng)按下K1兩下，顯示星期+時(shí)間：03152833；再按兩下顯示定時(shí)時(shí)間：00000719.仿真結(jié)果與預(yù)期設(shè)計(jì)一致，設(shè)計(jì)正確。

圖7仿真結(jié)果

3.7鬧鐘模塊

鬧鐘模塊設(shè)計(jì)為當(dāng)定時(shí)時(shí)間到或者整點(diǎn)時(shí)鬧鈴響，分別有ZHENG，NAO兩個(gè)控制端子控制，低電平有效。經(jīng)驗(yàn)證，定時(shí)和整點(diǎn)報(bào)時(shí)仿真結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。

3.8頂層模塊

將各個(gè)子模塊設(shè)計(jì)好之后，并創(chuàng)建各自文件的圖元，以供原理圖設(shè)計(jì)文件中調(diào)用。然后在原理圖編輯窗口創(chuàng)建頂層原理圖文件shuzirili.bdf，即將各圖元的引線端子按照邏輯關(guān)系連接起來(lái)，得到如圖8所示的完整原理圖，也即頂層模塊。

對(duì)頂層文件分別進(jìn)行時(shí)間、日期、鬧鈴功能的波形仿真，得到的仿真結(jié)果和預(yù)想設(shè)計(jì)一致，表明設(shè)計(jì)正確。

圖8頂層原理圖

4硬件驗(yàn)證

在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境中完成上述軟件設(shè)計(jì)及仿真后，最后還需將程序下載到FPGA器件中進(jìn)行硬件測(cè)試，以進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)程序是否正確。硬件驗(yàn)證時(shí)，還需對(duì)頂層文件進(jìn)行管腳分配、并編譯，然后將編譯好的目標(biāo)文件通過(guò)下載電纜下載到FPGA開發(fā)板中進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試。

采用GW48-SPOC/EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)并設(shè)置在工作模式0來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。下面僅給出部分驗(yàn)證結(jié)果。剛完成下載，數(shù)碼管顯示20000000，按兩下K1切換到時(shí)間顯示，才剛剛開始計(jì)數(shù)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出“滴答滴答”的頻率為1 Hz的響聲（為整點(diǎn)報(bào)時(shí)）60 s，然后通過(guò)按鍵8（K1）、鍵7（K2）、鍵6（K3）、鍵5（K4）對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行驗(yàn)證。首先調(diào)整時(shí)間，按兩下K2鍵切換到分的調(diào)整，此時(shí)每按兩下K3鍵，分鐘加1，驗(yàn)證過(guò)程中看到加到59就變?yōu)?0；再按兩下K2鍵切換到小時(shí)的調(diào)整，此時(shí)每按兩下K3鍵，分鐘加1；用同樣的方法調(diào)整星期，天，月，年以及定時(shí)的分鐘和小時(shí)。

調(diào)整日期為2013年7月31號(hào)，當(dāng)再調(diào)整天時(shí)，就變?yōu)?013年7月1號(hào)，結(jié)果如圖9所示。其他月份實(shí)驗(yàn)結(jié)果也符合生活規(guī)律，與設(shè)計(jì)要求一致。

其他的測(cè)試結(jié)果，數(shù)碼管能夠正確顯示計(jì)時(shí)時(shí)間，定時(shí)驗(yàn)證及時(shí)間調(diào)節(jié)、整點(diǎn)報(bào)時(shí)均能夠正常工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖9實(shí)際電路驗(yàn)證

5結(jié)語(yǔ)

本文基于FPGA環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)具有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)顯示功能，時(shí)間調(diào)整功能和整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能的數(shù)字日歷系統(tǒng)，并將之下載到FPGA芯片EP1C3T144-3上進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：數(shù)碼管能夠正確顯示計(jì)時(shí)時(shí)間，能夠通過(guò)按鍵調(diào)整時(shí)間，能夠設(shè)定時(shí)間并調(diào)整，整點(diǎn)報(bào)時(shí)能夠正常工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。由于設(shè)計(jì)中利用硬件描述語(yǔ)言和FPGA芯片相結(jié)合進(jìn)行數(shù)字日歷的研究，即利用EDA技術(shù)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)軟件化，使設(shè)計(jì)過(guò)程變得相對(duì)簡(jiǎn)單，易于修改。

另外，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字日歷的功能會(huì)更加多樣化，諸如增加農(nóng)歷顯示；加入溫度采集系統(tǒng)，能夠顯示每時(shí)每刻的環(huán)境溫度；加入節(jié)氣、節(jié)日提醒及顯示功能，提醒人們農(nóng)耕及休息時(shí)間；還可以加入語(yǔ)音識(shí)別，方便人們不動(dòng)手實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字日歷的調(diào)節(jié)等等。相信功能日趨完善多樣化的數(shù)字日歷將能更好地滿足人們的各種需要，為人類服務(wù)。