FPGA课程设计任务书-数字电子钟设计 .doc

EDA技术在电子系统设计领域越来越普及，本设计主要利用VHDL和C语言在FPGA实验板上设计一个电子数字钟，它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒、。总的程序由几个各具不同功能的单元模块程序拼接而成，其中包括分频程序模块、时分秒计数模块、处理器及外设模块，并且使用QuartusII运用VHDL语言对分频和计数两个模块进行硬件电路设计和电路波形仿真，运用sopc技术嵌入内核并创建了系统所需的外部设备FLASH和SRAM软件通过使用NiosII运用C语言进行编程然后下载到硬件电路中,并在FPGA实验板上进行调试和验证。 **FPGA课程设计任务书-数字电子钟设计** 在电子设计领域，Field Programmable Gate Array (FPGA) 技术正逐渐成为主流，因为它提供了高度的灵活性和可配置性。本设计任务旨在利用FPGA实验板，通过VHDL和C语言实现一个24小时计时周期的数字电子钟。设计的电子钟不仅要求精确计时，而且需要有清晰的23时59分59秒的显示。 **设计核心模块** 1. **分频程序模块**：设计中需要将较高的时钟频率（例如50MHz）降低到适合计时的频率，如1Hz。这通常通过分频器实现，它能将输入时钟信号分频成所需频率。VHDL语言被用于描述这个模块，并在Quartus II环境中进行硬件电路设计和波形仿真。分频器的设计需要考虑到偶数分频，确保输出信号的准确性和稳定性。 2. **时分秒计数模块**：这个模块负责对时间的秒、分、小时进行计数。使用3个计数器，分别对应秒、分、小时，其中秒计数器的计数时钟为1Hz。当秒计数器达到最大值（59），其进位信号会触发分钟计数器，同样，分钟计数器达到最大值（59）后，会触发小时计数器。设计中需要处理小时计数器的特殊逻辑，确保其在达到23时自动重置。 3. **处理器及外设模块**：设计中嵌入了NIOS II处理器，这是一种软核处理器，能够处理中断请求，读取计时数据，并通过C语言进行编程。处理器与外部设备如FLASH和SRAM进行交互，存储计时信息。Nios II处理器响应秒计数器产生的中断，读取当前的时间信息，并驱动数码管进行动态显示。 **设计要求** - 设计的数字秒表应从00-00-00开始计时，直至停止按键被按下。开始按键可以使秒表继续计时，复位按键则让秒表回到初始状态。 - 选择1KHz的系统时钟信号，通过10分频得到100Hz的计时信号，满足秒表的精度要求。七段数码管的扫描显示需要稳定的时钟支持，因此选择1KHz的时钟频率。 - VHDL程序需经过编译和仿真，确保无错误，同时提供仿真波形图以验证设计的正确性。 - 实物硬件测试的结果需要用照片记录下来，展示设计的功能实现。 **提高部分** 设计者还可以尝试添加更多功能，比如闹钟、定时器等，并探索不同的VHDL编程方法以优化代码结构和效率。 **系统总体方案** 数字钟系统由分频、计数和处理器模块组成，它们协同工作，实现精确的时间计数和显示。计数器按照60进制（秒和分）和24进制（小时）运行，当达到最大值时，通过进位信号重置。CPU使用NIOS II，响应中断并处理时间信息，驱动数码管进行实时显示。 **总结** 本设计通过FPGA技术和软件定义硬件的方法，实现了数字电子钟的完整功能，包括精确计时、中断处理以及数据显示。这不仅锻炼了学生对VHDL和C语言的掌握，也加深了他们对FPGA硬件设计流程的理解。通过这样的实践项目，学生能够全面了解电子系统设计的各个环节，为未来在嵌入式系统和数字信号处理等领域的工作打下坚实基础。