基于FPGA的数字时钟的设计与实现

基于FPGA的Digital_clock的设计与实现

一、设计要求

1.正常显示功能

四位数码管显示当前时间、日期以及闹钟时间。对于时间（当前时间、闹钟时间）来说，数码管的前两位显示小时，后两位显示分钟。对于日期的年份来说，使用四位数码管进行显示；对于日期的月份和日期来说，数码管的前两位显示月份，后两位显示日期。两位之间的“冒号”点亮，各个数码管的小数点不用点亮。

2.切换功能

复位时，数码管显示当前时间；当外部按下key_switch时，数码管显示年份；再次按下key_switch时，数码管显示月份和日期；再次按下key_switch时，数码管显示闹钟时间；再次按下key_switch时，数码管恢复显示时间。

3.调整功能

当显示时间（当前时间、闹钟时间）时，按下key_adjust，再按下key_add或者key_sub就可以调整分钟；再次按下key_adjust，再按下key_add或者key_sub就可以调整小时；再次按下key_adjust时，即为确定调整。
当显示年份时，按下key_adjust，再按下key_add或者key_sub就可以调整年份；再次按下key_adjust时，即为确定调整。
当显示月份和日期时，按下key_adjust，再按下key_add或者key_sub就可以调整日期；再次按下key_adjust，再按下key_add或者key_sub就可以调整月份；再次按下key_adjust时，即为确定调整。
如果对上述的调整有疑问，可以再次调整。如果在调整期间，按下key_switch，所作调整也会立即生效。

4.调整功能显示

功能进行调整时，所对应调整的部分应该亮0.5秒，灭0.5秒。

5.声音模块

无论按下什么按键，都应该发出“叮”的一声。当闹钟时间和当前时间相同时，应该一直播放音乐《世上只有妈妈好》，直到有按键按下，终止音乐。

6.闹钟

闹钟的小时可以调整到24，用以关闭闹钟。其他时间打开闹钟。闹钟的时间不设置日期，即一旦设置闹钟，每天都会起作用。

7.补充说明

按照每个月30天进行设计，不考虑闰月等情况的影响。

二、硬件分析

• 主控芯片：FPGA（Artix7）
• 晶振：50MHz
• 复位源：低电平有效
• 按键：切换、调整、加减按键均为低电平有效
• 蜂鸣器：无源蜂鸣器
• 数码管：四位一体共阳极数码管，并且公共端采用NPN三极管控制

三、设计架构

1.总体设计

2.分模块设计

2.1Key_ctrl模块的设计与实现

2.2Beep_ctrl模块的设计与实现

2.2.1Beep_music模块的设计与实现

2.3Show_ctrl模块的设计与实现

2.4Digital_clock_ctrl模块的设计与实现

2.4.1 Clock_ctrl模块的实现

四、基本原理

4.1按键

开发板上面有四个按键，当按键按下时，将对应的网络置成低电平；当按键释放时，将对应的网络置成高电平。

按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时不会马上进入稳定状态，瞬间伴随有一连串的抖动。抖动时间一般为 5ms～10ms。我们采用持续采样的方案解决这一问题：当检测到信号持续为低 10ms，认为按键按下；当检测到信号持续为高10ms，认为按键释放。在设计时，需要考虑到外部的按键信号为异步信号，需要进行同步处理。方案为外界信号延迟两拍。

每次按键按下的时间的长短不一，经过消抖后，低电平的持续长度长短也不一样。此长度可能远远大于一个时钟周期的长度。要让每次按下只能进行一次有效切换，需要进行边沿检测：通过检测下降沿（上升沿）的变化，产生一个新的信号——脉冲（一个时钟周期的脉冲） ，利用此脉冲作为翻转的使能即可。

4.2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，共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。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)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。

4.3蜂鸣器

在设计时，首先将简谱中的音符存起来；利用计数器产生 1/4秒为周期的脉冲，在此脉冲驱动下，将事先存好的音符一个个输出；根据音符的值，计算出分频比；根据分频比，产生对应频率的波形。将此波形输出即可。乐谱频率如下所示：

五、设计代码

本设计的所有相关设计文件及代码全部提交至gitee仓库，请访问shihao_Yang获取。