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book_excise_digital_clock [2021/08/19 22:58] gongyusu [2. 实验原理] |
book_excise_digital_clock [2021/08/20 12:20] (当前版本) zili |
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行 1: | 行 1: | ||
+ | ## 数字钟实验 | ||
+ | ### 1. 实验内容 | ||
+ | 本实验设计一个能够显示时、分、秒钟的数字时钟,时间在7段数码管上显示。通过开发板上的按键调整数字时钟的时间,分别用四个键来控制分、时的增减。各按键及数码管功能要求如表12-1所示。 | ||
+ | <WRAP centeralign> | ||
+ | **表12-1 按键及数码管功能要求** | ||
+ | </WRAP> | ||
+ | |数码管L13、L14|秒钟显示|reset|时钟复位| | ||
+ | |数码管L12,L11|分钟显示|S3,S7|小时加减| | ||
+ | |数码管L10,L9|小时显示|S6,S10|分钟加减| | ||
+ | 按下S1,则时钟复位;L13,L14显示秒;按下键盘区的S3键,L12即分钟数增1,同时数码管L7和L8显示S3所在的行列值。同样,按下S7为分钟数减1,S6为小时数增1,数码管L10上的数字相应增1,S10为小时数减1。 | ||
+ | |||
+ | \\ | ||
+ | \\ | ||
### 2. 实验原理 | ### 2. 实验原理 | ||
本实验的原理较为简单(图12 1),设计一个时钟产生模块,产生周期为1s的计时时钟和周期为4ms键盘扫描时钟。周期为1s的时钟触发“秒”计时,计时到59发生分钟的进位,并触发分钟的计时,同样分钟计时到59发生小时的进位,并触发小时的计时。通过键盘上的某些键可以手动设置小时和分钟,时间和键值都会在数码管上显示。键盘键值的识别和数码管的显示参看《键盘扫锚及数码管实验》。 | 本实验的原理较为简单(图12 1),设计一个时钟产生模块,产生周期为1s的计时时钟和周期为4ms键盘扫描时钟。周期为1s的时钟触发“秒”计时,计时到59发生分钟的进位,并触发分钟的计时,同样分钟计时到59发生小时的进位,并触发小时的计时。通过键盘上的某些键可以手动设置小时和分钟,时间和键值都会在数码管上显示。键盘键值的识别和数码管的显示参看《键盘扫锚及数码管实验》。 | ||
- | {{ :图12-1.png |图12-1 数字时钟原理示意图}} | ||
{{drawio>zzcbook_digitalclock.png}} | {{drawio>zzcbook_digitalclock.png}} | ||
+ | |||
+ | <WRAP centeralign> **图12-1 数字时钟原理示意图** </WRAP> | ||
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+ | ### 3. 实验设计 | ||
+ | #### 3.1 总体架构 | ||
+ | 程序由以下模块组成(图 12 2):\\ | ||
+ | 1. 顶层模块Digital_clk将各子模块实例化并将各模块连接起来。 | ||
+ | 2. clk_gen模块产生扫描键盘所要求的周期为4ms的脉冲信号和计数需要的周期为1秒钟的脉冲信号。\\ | ||
+ | 3. scan和前面的键盘扫描与数码管显示实验的一样,负责键盘的扫描识别。\\ | ||
+ | 4. scan模块扫描到的键盘列值和行值送给Timeset模块。Timeset模块用来识别手动时间设置的模式,如按下键盘S3,则表示小时加1。\\ | ||
+ | 5. Time模块是本程序的核心模块,实现一个支持时分秒的时钟。\\ | ||
+ | 6. data_2_disp模块和disp_scan也与前面的键盘扫描与数码管显示实验的一样。这里用到六个data_2_disp模块, disp1,disp0显示秒针;disp3,disp2显示分钟;disp5,disp4显示小时。 | ||
+ | |||
+ | {{ :图12-2.png |图12-2 程序总体框图}} | ||
<WRAP centeralign> | <WRAP centeralign> | ||
- | **图12-1 数字时钟原理示意图** | + | **图12-2 程序总体框图** |
</WRAP> | </WRAP> | ||
+ | |||
+ | #### 3.2 Digital_clk模块(digital_clk.v) | ||
+ | Digital_clk模块为顶层模块,输入输出接口如下: | ||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | input clk,reset; //时钟和复位信号。 | ||
+ | input [3:0]kr; //扫描键盘行输入。 | ||
+ | output [3:0]kc; //扫描键盘列输出。 | ||
+ | output [7:0]HEX_sel; //数码管显示选通信号,每一位选通一个数码管。 | ||
+ | output [7:0]HEX_seg; //数码管译码显示的内容。 | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | |||
+ | #### 3.3 one_sec模块(one_sec.v) | ||
+ | One_sec产生以1s为周期的时钟和以4ms为周期的键盘扫描时钟,输入输出接口如下: | ||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | input clk, reset; //时钟和复位信号。 | ||
+ | output one_sec_clk; //周期为1s的时钟输出 | ||
+ | output scan_clk; //周期为4ms的键盘扫描时钟输出 | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | |||
+ | #### 3.3 Time_set模块(Time_set.v) | ||
+ | Time_set实现对时钟小时和分钟的手动设置,输入输出接口如下: | ||
+ | |||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | input [3:0] add_r; //按键行地址 | ||
+ | input [3:0] add_c; //按键列地址 | ||
+ | output [3:0] set; //手动手动设置时间信号 | ||
+ | Time_set是一个组合逻辑模块,通过按键值来决定时间的调整方式。定义set来指示是何种调整方式,set有四种取值,如下列代码所示: | ||
+ | always @(r_reg or c_reg) | ||
+ | begin | ||
+ | if(r_reg == 4'b0001) | ||
+ | begin | ||
+ | if(c_reg == 4'b0100) //按下S3分钟加1 | ||
+ | set = 4'b0010; | ||
+ | else if(c_reg == 4'b0001) //按下S6小时加1 | ||
+ | set = 4'b0001; | ||
+ | else | ||
+ | set = 4'b0000; | ||
+ | end | ||
+ | else if(r_reg == 4'b0010) | ||
+ | begin | ||
+ | if(c_reg == 4'b0100) //按下S7分钟减1 | ||
+ | set = 4'b1000; | ||
+ | else if(c_reg == 4'b0001) //按下S10小时减1 | ||
+ | set = 4'b0100; | ||
+ | else | ||
+ | set = 4'b0000; | ||
+ | end | ||
+ | else | ||
+ | set = 4'b0000; | ||
+ | end | ||
+ | endmodule | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | |||
+ | |||
+ | #### 3.5 Time模块(Time.v) | ||
+ | Time模块控制数字时钟的“时”、“分”及“秒”,模块输入输出接口如下: | ||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | input clk, reset; //时钟和复位信号。 | ||
+ | input en_sec; //输入周期为1s的时钟 。 | ||
+ | input [3:0]set; //手动时间设置控制输入。 | ||
+ | output [7:0]sec; //输出秒。 | ||
+ | output [7:0]minu; //输出分钟。 | ||
+ | output [7:0]hour; //输出小时。 | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | |||
+ | 以下以小时位的增减来说明如何控制“时”“分”“秒”。\\ | ||
+ | 当键盘有控制键按下时表示需要手动调节分钟和小时,如set=0001,说明输入的按键是S6,则en_h_manu赋值为1。 | ||
+ | |||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | if(keyout_en) //键盘输入使能信号为高时,set输入有效 | ||
+ | case(set)//手动控制分钟与小时的增减 | ||
+ | 4'b0001: begin | ||
+ | en_m_manu <= 0; en_h_manu <= 1; de_m <= 0; de_h <= 0; | ||
+ | end//手动小时增1 | ||
+ | //四个信号的含义为: | ||
+ | // en_h_manu为高时表示小时手动调整,de_h为高时表示减1,为低时表示加1。 | ||
+ | // en_m_manu为高时表示分钟手动调整,de_m为高时表示减1,为底时表示加1。 | ||
+ | 4’b0010: begin | ||
+ | en_m_manu <= 1; en_h_manu <= 0; de_m <= 0; de_h <= 0; | ||
+ | end//手动分钟增1。 | ||
+ | 4'b0100: begin | ||
+ | en_m_manu <= 0; en_h_manu <= 0; de_m <= 0; de_h <= 1; | ||
+ | end//手动小时减1。 | ||
+ | 4'b1000: begin | ||
+ | en_m_manu <= 0; en_h_manu <= 0; de_m <= 1; de_h <= 0; | ||
+ | end//手动分钟减1。 | ||
+ | default: begin | ||
+ | en_m_manu <= 0; en_h_manu <= 0; de_m <= 0; de_h <= 0; | ||
+ | end | ||
+ | endcase | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | |||
+ | 当分钟位计时到59时,产生一个小时位自动增加变量en_h_auto置为1。\\ | ||
+ | 信号en_m_manu和en_m_auto分别控制手动和自动分钟调整,定义信号en_m表示分钟需要调整:\\ | ||
+ | assign en_m = en_m_manu | en_m_auto;\\ | ||
+ | |||
+ | 下列代码判断分钟是否需要向小时进位,如果分钟需要调整且分钟计数值到59,则需要向小时进位: | ||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | always @(en_m or COUNTERm) // COUNTERm表示分钟计数。 | ||
+ | begin | ||
+ | en_h_auto <= 0; | ||
+ | if(en_m) //分钟需要调整。 | ||
+ | begin | ||
+ | if(COUNTERm == 6'b11_1011)//计数到59。 | ||
+ | en_h_auto <= 1; //en_h_auto表示小时需要自动调整。 | ||
+ | else | ||
+ | en_h_auto <= 0; | ||
+ | end | ||
+ | else | ||
+ | en_h_auto <= 0; | ||
+ | end | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | |||
+ | 信号en_h 表示小时是否需要增加,en_h = en_h_manu | en_h_auto。即无论是用按键手动控制还是分钟自动产生进位信号,小时数都要增加1。小时是以24为循环所以当计数到23时,小时计数COUNTERh置为0。当按键产生小时减少信号de_h时,小时数COUNTERh减1: | ||
+ | |||
+ | <code verilog> | ||
+ | |||
+ | always@( posedge clk or negedge reset) begin: calculate_hourur | ||
+ | if (!reset) | ||
+ | COUNTERh <= 5'b0; | ||
+ | else begin | ||
+ | if(en_h) begin | ||
+ | if(COUNTERh == 5'b1_0111)//计数到23 | ||
+ | COUNTERh <= 5'b0; | ||
+ | else | ||
+ | COUNTERh <= COUNTERh+1'b1;小时加1 | ||
+ | end | ||
+ | else if(de_h) //小时位减1信号 | ||
+ | begin | ||
+ | if(COUNTERh == 5'b0_0000)//当小时位为0时,减1 | ||
+ | COUNTERh <= 5'b1_0111;//小时位变为23 | ||
+ | else | ||
+ | COUNTERh <= COUNTERh-1'b1; | ||
+ | end | ||
+ | end | ||
+ | end | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | |||
+ | 因为是用两位十进制来显示小时数,所以需要把二进制数COUNTERh转换成十进制表示。hour[7:0]的前四位为十位,后四位为个位。 | ||
+ | <code verilog> | ||
+ | assign hour[7:4] = COUNTERh/10;//小时十位数 | ||
+ | assign hour[3:0] = COUNTERh%10; //小时个位数 | ||
+ | |||
+ | </code> | ||
+ | |||
+ | (5)scan模块,data_2_disp模块和disp_scan与键盘扫描与数码管显示实验中的一样,请参考键盘扫描实验。 | ||
\\ | \\ | ||
- | \ | + | \\ |
+ | ### 4. 仿真结果 | ||
+ | {{ :图12-3.png |图12-3 增大小时值}} | ||
+ | <WRAP centeralign> | ||
+ | **图12-3 增大小时值** | ||
+ | </WRAP> | ||
+ | |||
+ | 在图12 3中的黄色线处:set=0001,此时增加小时,所以置en_h_manu为高,en_h是en_h_manu和en_h_auto逻辑“或”的结果,所以此时en_h也为高电平,使hour的值加1;\\ | ||
+ | 红色线处:set=0010,此时增加分钟,所以置en_m_manu为高,en_m是en_m_manu和en_m_auto或的结果,所以此时en_m也为高电平,使minu的值加1。 | ||
+ | |||
+ | {{ :图12-4.png |图12-4 减小分钟值}} | ||
+ | <WRAP centeralign> | ||
+ | **图12-4 减小分钟值** | ||
+ | </WRAP> | ||
+ | |||
+ | 在图12-4中的紫色线处:set=1000,此时减小小时的值,所以置de_h为高,使hour的减1,从01变到00;\\ | ||
+ | |||
+ | |||
+ | {{ :图12-5.png |图12-5 减小分钟值}} | ||
+ | <WRAP centeralign> | ||
+ | **图12-5 减小分钟值** | ||
+ | </WRAP> | ||
+ | |||
+ | 图 12 5是在没有调整时间情况下,在sec=59且en_sec=1时置en_m_auto为高电平,使分钟加1;在minu=59且en_m=1时置en_h_auto为高电平,使小时加1。\\ | ||
+ | 在上面三个图中sec、minu、hour的显示格式都是16进制形式。 | ||
+ | |||
+ | \\ | ||
+ | \\ | ||
+ | ### 5. 演示程序文件说明 | ||
+ | |文件名|功能| | ||
+ | |Digital_Clk.v|主程序| | ||
+ | |one_sec.v|产生1s周期时钟和键盘扫描时钟| | ||
+ | |clock.v|数字钟| | ||
+ | |scan.v|键盘扫描| | ||
+ | |disp_scan.v|数码管扫描| | ||
+ | |data_2_disp.v|数码管译码| | ||
+ | |||
+ | \\ | ||
+ | \\ | ||
+ | ### 6. 演示程序使用 | ||
+ | 演示设备要求:核心板,扩展板。 | ||
+ | |||
+ | 演示方法:下载后,可以看到数码管L14 由零开始计数,L13,L14为秒数显示,按下键盘区的S3键,可以观察到L12即分钟数增1,同时数码管L7L8显示14,即S3所在的行列值。同样,按下S7键为分钟数减1,S6键为小时数增1,数码管L10上的数字会相应增1,S10键为小时数减1。所按键的行列值都会在L7L8上显示。核心板Reset键为复位键。 | ||
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