基于小脚丫FPGA开发板和四位数码管 的数字时钟设计

1、设计要求

基于小脚丫FPGA开发板和四位数码管实现数字时钟的设计，要求：

1)采用FPGA+按键+四位数码管实现数字时钟功能；

2)时间显示格式：XX:XX:XX (时：分：秒)，采用24小时制；

3)四位数码管显示时分秒，可以通过按键控制选择显示时分界面还是分秒界面。

4)通过按键设定初始时间。

5)设置在整点12点时，通过蜂鸣器响示意整点报时。蜂鸣器响维持大概5S；

2、硬件连接

FPGA的系统时钟来自于小脚丫FPGA开发板配置的24MHz时钟晶振，连接FPGA的C1引脚。

本设计用到五个个按键K1~K5，硬件设计如图1所示，五个按键分别连接到FPGA的B8、C8、A10、A11和A12引脚。

图1. 按键硬件设计

本设计用到一个蜂鸣器来示意整点报时，硬件设计如图1所示，蜂鸣器连接到FPGA的B2引脚。

图2. 蜂鸣器硬件设计

本设计用到四位数码管来显示时间，四位数码管用两个74HC595驱动，硬件设计如图1所示，74HC595的串行时钟SCK、并行时钟RCK和串行数据DIN分别连接到FPGA的N2、M1和K1引脚上。

图3. 数码管驱动74HC595硬件设计

3、工作原理

1)使用计数器做分频处理，得到周期为1秒的脉冲信号；

2)使用三个8bit的BCD码表示时钟、分钟、秒钟的值，其中高4bit表示值的十位，低4bit表示值的个位；

3)正常运行时，每来一个1S脉冲信号个位加1，个位满10清零同时十位加1，当秒钟满60清零同时分钟个位加1，依次进行...直到23:59:59的下一刻全部清零；

4)按键K5，模式调节，设计共分4中模式（分秒显示、分秒调节、时分显示、时分调节），按动K5依次切换模式；

5)按键K2，时间调节，当数字时钟在时针调节、分针调节或秒针调节模式时，按动K2调节对应时间位；

6)在调时分和调分秒两个状态，可以通过K4和K2键分别左移右移要调整的位，要调整的位会通过对应位的闪烁来示意。通过K4和 K2左右移动选择好要调整的位以后，就可以通过K1和K3来增大或调小对应的位；

4、代码设计

为了实现所需要的功能，我们将整个设计划分不同的模块，如图4所示。

图4. 数字时钟程序设计框架

4.1 五位按键消抖模块

图5. 五位按键消抖模块

• Ø输入：五位的按键电平信息输入

• Ø输出：五位消抖后的脉冲输出

• Ø功能：将按键按下一次的电平信号，经过消抖后变成一个维持一个时钟周期的脉冲信号；

• Ø原理：

图6. 按键抖动特性

FPGA过20ms检测按键是否按下，存储检测到的值，并且按位取反与前一个20ms检测的值相与，得到一个值，如果为1，则判断按键按下，否则则无按下。

图7. FPGA按键的理解示意图

4.2 电子表显示控制模块。

图8. 电子表显示控制模块

• Ø输入：五位的按键脉冲

• Ø输出：十六位的BCD码输出，每四个代表一个十进制数；

• Ø原理：四位的位闪烁控制信号。某一位为一代表这位对应的数码管的一位进行闪烁显示。（在调整状态下，会让当前调整的哪一位进行闪烁。正常显示状态下seg_flash_data全为零）；

• Ø功能：主要就是一个状态机，通过检查输入的按键信息，进行显示状态切换，时间调整。四个状态分别为：显示分秒，调分秒，时分显示，调时分；当K5按键按下（key_pulse[4]）时依次跳转，如图9所示。

图 9. 数字时钟状态控制设计

4.3 数码管译码模块

图10. 数码管译码模块

• Ø输入：四位的BCD码数据

• Ø输出：八位的七段数码数据

• Ø功能：一个case语句，将输入的四位BCD码转化为七段数码数据；

• Ø原理：数码管分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳极（COM）需接+5V才能使其工作。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码，共阴极（COM）需接GND才能使其工作。小脚丫拓展板上的数码管如下图所示:

图11. 数码管内部电路

共阴极数码管：

位选为低电平（即0）选中数码管；各段选为高电平（即接+5V时）选中各数码段；由0到f的编码为:

4.4 四位数码管显示控制模块。

图12. 数码管显示控制模块

• Ø输入：四个八位的七段数码管数据和位闪烁控制信号seg_flash_data.

• Ø输出：需要串行输出给74HC595的十六位数据；

• Ø功能：模块就是循环的将四位七段数码数据，组合一个十六位的输出数据；

4.5 74HC595驱动功能模块

图13. 74HC595驱动功能模块

• Ø输入：十六位的位选段选数据。

• 1)duan_wei_data[13:0]分别对应:

• 2)[ X,X,H+,H-,DIG4,DIG3,DIG2,DIG1,DP,G,F,E,D,C,B,A] ;

• Ø输出：SPI接口输出，串行输出十六位位选段选信号；

• Ø功能：将输入的并行的十六位的位选段选数据通过SPI接口转化为串行输出；

• Ø原理：详见Text8.数码管显示及74HC595芯片资料

5、系统运行

图14. 系统运行

视频地址：

https://v.youku.com/v_show/id_XMTM5MDE4OTE2MA==.html?from=s1.8-1-1.2

6、资源报告

7、知识点

Ø时钟计数分频Ø按键消抖处理

Ø功能建模

Ø波形仿真

ØSPI时序实现

Ø74HC575数码管驱动原理

8、参考文档

Lattice MachXO2数据手册

9、相关文件