基于FPGA的数字钟设计---第三版

欢迎各位朋友关注“郝旭帅电子设计团队”，本篇为各位朋友介绍基于FPGA的数字钟设计---第三版。

功能说明：

1. 在数码管上面显示时分秒（共计六个数码管，前两个显示小时；中间两个显示分钟；最后两个显示秒）。

2. 利用按键可以切换24/12小时制（默认24小时制）。

3. led1的亮灭表示24小时制（亮）还是12小时制（灭）。

4. led2的亮灭表示上午（亮）还是下午（灭），24小时制时，一直灭。

5. 增加调整按键和加减按键。

6. 调整按键不按下时，正常显示时分秒。

按下第一次，进入调整状态，时间停止，并且小时开始闪烁，通过加减按键可以进行调整。

按下第二次，分钟开始闪烁，通过加减按键可以进行调整。

按下第三次，秒开始闪烁，通过加减按键可以进行调整。

按下第四次，进入正常运行状态。

后续再按下时，重复以上的过程

使用平台：本次设计应用Altera的平台设计（芯片：EP4CE10F17C8N）。

仿真平台：Modelsim。

作者QQ：746833924

说明：本篇设计中不涉及到IP和原语，代码在其他平台依然可以适用；当其他板卡电路不同时，会导致不同的现象出现，如有需要修改代码请联系作者；如需作者使用的板卡，请联系作者；

设计思想如下：

key_ctrl模块负责将外部的按键信号进行消抖，并且产生对应边沿变化时的脉冲；digital_clock_ctrl模块负责根据脉冲信号和设计逻辑产生对应数字逻辑和led的状态；seven_tube_drive（七段数码管驱动）模块负责将digital_clock_ctrl模块产生的数字逻辑显示到数码管上。

key_ctrl模块设计思想为：按键信号是由外部机械式按键产生，每次按下或者抬起时，会产生一定的抖动。如果直接对其进行边沿检测就会导致多次触发。故而需要设计按键消抖，进而对消抖之后的波形进行边沿检测。消抖原理为：外部按键信号发生改变后，如果能够持续20ms，没有新的改变，就认为此次改变不是抖动，而是真正的按下，然后进行采样即可。

// 记录任意边沿之后没有遇到新的边沿的时间长度是否达到20Ms 

//---------------------------------------------------------------------------------------  

always@(posedgeclk)begin

   if(rst_n ==1'b0)

     cnt_20ms <=20'd0;

   else

     if(pulse_key_negedge ==1'b1||pulse_key_posedge ==1'b1)

       cnt_20ms <=20'd1;

     else

       if(cnt_20ms >20'd0&&cnt_20ms <T_20ms)

         cnt_20ms <=cnt_20ms +1'b1;

       else

           cnt_20ms <=20'd0;

 end

// --------------------------------------------------------------------------------------- 

// 任意边沿之后没有遇到新的边沿的时间长度达到20Ms，认为按键稳定，此时采样 

//--------------------------------------------------------------------------------------    

always@(posedgeclk)begin

   if(rst_n ==1'b0)

     key_wave <=1'b1;

   else

     if(cnt_20ms ==T_20ms)

       key_wave <=key_rr;

     else

       key_wave <=key_wave;

 end

//--------------------------------------------------------------------------------------

// 对消抖之后的按键信号进行边沿检测 

//---------------------------------------------------------------------------------------------

initialkey_wave_r =1'b1;

always@(posedgeclk)key_wave_r <=key_wave;

assignflag_neg =(key_wave_r ==1'b1&&key_wave ==1'b0)?1'b1:1'b0;

assignflag_pos =(key_wave_r ==1'b0&&key_wave ==1'b1)?1'b1:1'b0;

//--------------------------------------------------------------------------------------------  

digital_clock_ctrl模块的设计思想：首先根据外部的调整脉冲，确定工作状态。

reg[1:0]  state_adjust;// 0 : 正常模式 1：小时调整 2 ：分钟调整 3 ：秒调整

// 切换调整模式和正常模式

 always@(posedgeclk)begin

   if(rst_n ==1'b0)

     state_adjust <=2'b00;

   else

     if(key_adjust_flag ==1'b1)

       state_adjust <=state_adjust +1'b1;  // 0-3无限循环

     else

       state_adjust <=state_adjust;

 end

根据基本逻辑、工作状态和外部加减脉冲产生24小时进制的时分秒。

// 1秒钟计时 // 只有正常模式才开始计时

   always@(posedgeclk)begin

   if(rst_n ==1'b0)

     cnt <=26'd0;

   else

     if(cnt <T_1s -1'b1 &&state_adjust ==2'd0)

       cnt <=cnt +1'b1;

     else

         cnt <=26'd0;

 end

// 秒计时 

// 在秒调整模式中，加和减按键做对应的工作。

// 在正常模式，正常计时

 always@(posedgeclk)begin

   if(rst_n ==1'b0)

     sec <=6'd50;

   else

     if(state_adjust ==2'd3)

       if(key_add_flag ==1'b1)

         if(sec <6'd59)

           sec <=sec +1'b1;

         else

           sec <=6'd0;

       else

         if(key_sub_flag ==1'b1)

           if(sec >6'd0)

             sec <=sec -1'b1;

           else

             sec <=6'd59;

         else

           sec <=sec;

     else

       if(cnt ==T_1s -1'b1)

         if(sec <6'd59)

           sec <=sec +1'b1;

         else

           sec <=6'd0;

       else

         sec <=sec;

end    

24小时进制和12小时进制在外部按键按下时切换；分和秒的显示没有改变，小时的显示需要调整。24小时制时，正常显示；12小时制时，时大于11时，需要减去12；并且利用led2进行表是为上午还是下午。

//根据显示模式，调整小时的显示

   always@*begin

   if(state ==1'b0)

     hour_adjust =hour;

   else

     if(hour >6'd11)

       hour_adjust =hour -6'd12;

     else

       hour_adjust =hour;

 end

//根据显示模式和小时值，计算是上午还是下午

 always@*begin

   if(state ==1'b0)

     led2 =1'b0;

   else

     if(hour >6'd11)

       led2 =1'b0;

     else

       led2 =1'b1;

 end

如果在调整模式中，启动一个一秒钟的计时器。

// 处于调整模式时，开始计时一秒钟

 always@(posedgeclk)begin

   if(rst_n ==1'b0)

     flash_cnt <=26'd0;

   else

     if(state_adjust ==2'd0)

       flash_cnt <=26'd0;

     else

       if(flash_cnt <T_1s -1'b1)

         flash_cnt <=flash_cnt +1'b1;

       else

         flash_cnt <=26'd0;

 end

分钟和小时类似，在这里不在赘述。

在正常模式下将需要显示的时、分、秒的十位和个位计算出来。在对应的调整模式下，需要前半秒输出对应的数字，后半秒输出全F。在数码管驱动中，当输入正常数字0~9显示数字，当输入F时数码管熄灭，此时数码管就闪烁起来了。

//计算得出小时、分钟、秒的个位和十位  

always@(posedgeclk)hour_shi <=(state_adjust ==2'd1&&flash_cnt >T_1s/2)?4'hf:hour_adjust/10;  

always@(posedgeclk)hour_ge <=(state_adjust ==2'd1&&flash_cnt >T_1s/2)?4'hf:hour_adjust%10;  

always@(posedgeclk)min_shi <=(state_adjust ==2'd2&&flash_cnt >T_1s/2)?4'hf:min/10;  

always@(posedgeclk)min_ge <=(state_adjust ==2'd2&&flash_cnt >T_1s/2)?4'hf:min%10;  

always@(posedgeclk)sec_shi <=(state_adjust ==2'd3&&flash_cnt >T_1s/2)?4'hf:sec/10;  

always@(posedgeclk)sec_ge <=(state_adjust ==2'd3&&flash_cnt >T_1s/2)?4'hf:sec%10;

所有的逻辑在复位时，可以给予各种值，下板时，通过按下复位，可以让数字钟从自己想要的时间开始运行。

以上即为digital_clock_ctrl模块的设计思想；

七段数码管为普通六位一体的共阳极数码，采用动态驱动的方式，在此不再赘述。

下板后（下板成功，按下复位并释放，复位的时间设置为上午11时59分50秒），我们就可以看到数字钟的运行情况。    
    当然我们也可以使用按键进行调节到我们想要的任何时间点。

    下板后，led1点亮（24小时制），经过10秒后，可以看到12时0分0秒。

按下复位后，立刻按下切换显示模式。此时led1熄灭（12小时制），led2点亮（上午）。经过10秒后，可以看到0时0分0秒，led2熄灭（下午）。

下板后，演示视频（链接）如下：
https://www.bilibili.com/video/BV1FT4y1x7RQ/?vd_source=b5405faeab8632f02533bcbfc5e52e55

     本设计所有内容（设计代码、设计工程）链接为：

链接：https://pan.baidu.com/s/1Bo6GK1bm1vDXfahwZusKVg

提取码：i9xj

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