基于EP4CE6F17C8的FPGA单数码管秒计数实例

一、电路模块

本例的电路模块与“基于EP4CE6F17C8的FPGA数码管动态显示实例”中的完全一样，此处就不再给出了。

二、实验代码

本例实现1个数码管循环显示字符1~F，显示间隔为1秒，代码使用Verilog编写，采用例化的形式，共有三个文件。

先编写数码管实现显示字形解码的程序，模块名称为seg_decode，文件名称为seg_decode.v，代码如下。

module seg_decode(
    input[3:0]  char_val,             //显示的字形，可显示0~F十六个字形，所以需要4位
    output reg[7:0] seg7              //字形编码，包含小数点，共8位
);

always@(*)                            //敏感信号为所有输入量
begin
    case(char_val)
        4'd0:seg7 <= 8'b1100_0000;    //字形0的编码
        4'd1:seg7 <= 8'b1111_1001;    //字形1的编码
        4'd2:seg7 <= 8'b1010_0100;    //字形2的编码
        4'd3:seg7 <= 8'b1011_0000;    //字形3的编码
        4'd4:seg7 <= 8'b1001_1001;    //字形4的编码
        4'd5:seg7 <= 8'b1001_0010;    //字形5的编码
        4'd6:seg7 <= 8'b1000_0010;    //字形6的编码
        4'd7:seg7 <= 8'b1111_1000;    //字形7的编码
        4'd8:seg7 <= 8'b1000_0000;    //字形8的编码
        4'd9:seg7 <= 8'b1001_0000;    //字形9的编码
        4'ha:seg7 <= 8'b1000_1000;    //字形A的编码
        4'hb:seg7 <= 8'b1000_0011;    //字形B的编码
        4'hc:seg7 <= 8'b1100_0110;    //字形C的编码
        4'hd:seg7 <= 8'b1010_0001;    //字形D的编码
        4'he:seg7 <= 8'b1000_0110;    //字形E的编码
        4'hf:seg7 <= 8'b1000_1110;    //字形F的编码
        default:seg7 <= 7'b111_1111;  //默认不显示
    endcase
end
endmodule

接下来编写秒计数程序，模块名称为count_m16，文件名称为count_m16.v，代码如下。

module count_m16(
      input          clk,                  //板载50HMz系统时钟
      input          rst,                  //复位按键
      input          en,                   //计数使能位 
      output reg[3:0]data                  //计数值，从0~F共16位，所以用4位
);

always@(posedge clk or negedge rst)       //敏感信号为时钟上沿或复位下沿
begin
    if(rst == 0)                          //低电平复位
        data <= 4'd0;                     //复位时计数值清零
    else if(en)                           //如果计数使能，则执行计数，否则保持上一次的值不变
    begin
        if(data == 4'd15)                 //如果计数到达F时，
            data <= 4'd0;                 //计数值清零
        else
            data <= data + 4'd1;           //否则计数值加1
    end
end
endmodule

最后编写数码管显示程序，并设置为顶层模块，模块名称为seg_count，文件名称为seg_count.v，代码如下。

module seg_count(
    input clk,                            //板载50HMz系统时钟
    input rst,                            //复位按键
    output [7:0] seg,                     //段码端口
    output bit                            //位选端口
);
assign bit = 1'b0;                        //点亮数码管
reg [25:0] cnt;                           //定义26位时钟计数器
reg sec;                                  //定义秒信号
always@(posedge clk or negedge rst)       //敏感信号为时钟上沿或复位下沿
begin
    if(rst == 0)                          //低电平复位时秒计数清零
    begin
        sec <= 1'b0;
        cnt <= 26'd0;
    end
    else if(cnt == 26'd49_999_999)        //时钟计数器到达1秒时
    begin
        cnt <= 26'd0;                     //时钟计数器清零
        sec <= 1'b1;                      //产生秒信号
    end
    else
    begin
        sec <= 1'b0;                      //否则秒信号清零
        cnt <= cnt + 26'd1;               //时钟计数器加1，即来一次时钟脉冲加一次
    end
end
wire [3:0] count_data;                    //定义显示的值
//下面例化1个秒计数单元
count_m16 U0(.clk(clk), .rst(rst), .en(sec), .data(count_data));
//下面例化1个字形解码单元
seg_decode S0(.char_val(count_data), .seg7(seg));
endmodule

三、代码说明

1、count_m16模块主要负责十六进制计数，在系统时钟的同步下，来一个en脉冲计一次数，计满后回零。计数的快慢取决于en端口输入的脉冲周期，产生的计数值则通过data端口向外输出。
2、seg_decode模块主要负责计数值到字形码的解码（转换），通过char_val端口向内输入计数值，转换成字形编码后通过seg7端口向外输出。
3、seg_count模块为顶层模块，负责产生秒时钟信号（即en脉冲），通过例化十六进制计数单元，把秒信号en传入，之后获得按秒变化的计数值count_data。同时通过例化数码管字形解码单元，把计数值count_data传入，之后获得字形编码seg7。最终获取的字形编码通过顶层的seg端口连接到数码管段码引脚，最低位数码管的位选引脚直接连接到低电平点亮。
4、元件例化是EDA设计中一种常用的手段，有点类似C语言中的函数调用，但它例化出来的是逻辑元器件。通过例化不仅能产生出实体元件，还能通过端口名关联的方式与外部进行连接，从而实现信号的输入和输出。

四、实验步骤

FPGA开发的详细步骤请参见“基于EP4CE6F17C8的FPGA开发流程（以半加器为例）”一文，本例只对不同之处进行说明。

本例工程放在D:\EDA_FPGA\Exam_4文件夹下，工程名称为Exam_4。有三个模块文件，一个名称为seg_count.v，设置为顶层实体，另外两个名称分别为seg_decode.v和count_m16.v，用于提供例化。其余步骤与“基于EP4CE6F17C8的FPGA开发流程”中的一样。

接下来看管脚约束，本例中只用到了最低位的1个数码管，一共有9个引脚，再加上时钟晶振和复位按钮，一共11个。具体的端口分配如下图所示。

对于未用到的引脚设置为三态输入方式，多用用途引脚全部做为普通I/O端口，电压设置为3.3-V LVTTL（与”基于EP4CE6F17C8的FPGA开发流程“中的一样）。需要注意，程序中的每个端口都必须为其分配管脚，如果系统中存在未分配的I/O，软件可能会进行随机分配，这将造成不可预料的后果，存在烧坏FPGA芯片的风险。

接下来对工程进行编译，编译完成后，可查看一下逻辑器件的消耗情况，如下图所示。

另外，还可以点击菜单Tools->Netlist Viewers->RTL Viewer，查看一下生成的RTL电路图，如下图所示。

最后进行程序下载，并查看结果。下面是数码管动态显示十六进制秒计数图片的其中几张。

…………

当按下复位键后，数码管熄灭，如下图所示。