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1、多功能数字时钟设计一、 实验内容基于可编程器件（FPGA）或MC8051内核，设计并调试完成一个多功能数字时钟。1. 基本要求。能够以数字方式显示时间（时/分/秒），具有闹钟设置、快速校时功能。2. 提高要求。在完成基本要求的基础上，并并根据能力、时间、实验室条件有选择地实现以下功能或自主发挥：（1） 音乐闹钟、语音报时。（2） 语音提示。（3） 万年历。（4） 可选择12/24小时制。二、 项目背景多功能数字时钟是数字逻辑电路经常选择的一个综合设计性实验，在可编程器件（FPGA）或者MC8051内核上实现，既可以作为可编程器件的入门训练，又可以熟悉MC8051内核的使用方法，在设计上又具有很
2、大的灵活性，可以增添许多用中小规模集成电路无法实现的功能，使实验具有很大的自主发挥空间。三、 实验目的1. 掌握和巩固数字电子技术基础理论、掌握数字电子技术的基本实验技能。2. 了解和掌握数字电子技术新技术的最新发展，了解和掌握新型电子器件和EDA工具的使用。3. 学习利用EDA软件进行可编程逻辑器件设计、仿真和下载调试的全过程，熟练掌握可编程器件的开发过程及常见的调试手段。4. 对学生进行相关技术的综合运用练习，使他们的实践能力，特别是综合知识的运用能力和处理实际工程问题的能力得到很好的锻炼和提高。四、 实验要求1. 根据实验内容的要求，设计数字钟的功能。2. 构思各项功能的操作和显示方式。
3、3. 设计系统结构和各功能模块的实现方案，根据功能要求进行系统顶层设计。4. 分模块进行设计、仿真、优化。5. 下载调试、测试。6. 撰写设计总结报告（实验报告）。五、 实验指导1. 实验设备。根据实验室实际情况可以选择Xilinx公司的Spartan-3E，Virtex-5系列等可编程逻辑器件模块或实验箱，建议可编程逻辑器件的逻辑门数量大于10万门；配备LED或LCD数码管显示器、相应的显示驱动电路、按键或微动开关、蜂鸣器或喇叭等其他发声设备。2. 知识准备。本实验的对象是完成或正在进行数字电子技术及相关课程学习的学生。学生应初步了解可编程逻辑器件的内部结构和工作原理，了解数字系统设计的基本
4、方法和实现流程，了解系统顶层采用的图形输入方式和功能模块设计采用的VHDL、Verilog等硬件描述语言；具备一定的系统调试能力。3. 实验指导。实验中指导学生采用自顶向下的系统设计方法，先进性顶层结构设计，制定系统中各模块的功能和接口参数；然后对系统的各模块逐一设计、调试；最后系统联调，下载测试。可按照以下步骤学习、设计和调试；（1）EDA编程工具与开发环境的学习。学习VHDL或Verilog语言描述和原理图描述的方法；学习EDA工具软件（Xilinx ISE）的设计、仿真和下载等方面功能的使用方法。（2）数字钟系统设计。根据实验内容中得基本要求和提高要求，设计规划数字钟需要实现的各项功能，
5、初步构思各项功能的实现方法、操作和显示方式；进行系统的顶层设计，决定构成系统的各功能模块、各模块需要实现的功能、各模块间的接口与协调配合；分配可编程器件I/O端子的功能。（3）计时电路设计与调试。设计时钟信号发生器（秒脉冲发生电路）、秒/分/时计时电路、日/月/年电路（需要时）。设计中需要考虑调试时的时间效率和调试方法。需要预留中间电路测试端子。调试秒脉冲的准确性时可使用频率计；调试秒/分/时、日/月/年电路的计时功能时，课提高秒脉冲电路的频率，并用逻辑分析仪观察信号波形。（4）校时电路设计。构思快速校时的方式和按键设置，根据校时过程中得操作和显示步骤设计校时电路；在可编程器件外配置数码显示器
6、和校时按键，并设计驱动电路。（5）闹钟电路设计。构思闹钟时间的设置方式（可借用校时电路）和闹钟触发方式，设计闹钟触发电路。（6）报时和闹钟电路设计。构思报时和闹钟的声、光指示方式，设计音频信号发生器，在可编程器件外配置声光元件，设计驱动电路。（7）数字钟系统联调。在保证上述个部分单元电路各项功能都能独立完成（仿真或部分电路下载测试）的前提下，进行系统连接，下载测试。（8）各部分单元电路都需要经历原理构思、编程设计、仿真优化、电路连接和下载调试的过程。六、 实验方案1. 数码管显示原理。动态扫描形式的数码管构造见1.2.8节描述，如图1所示。 图1 数码管构造如果只是显示单个数字，它的使用与普通
7、静态数码管相同，只需将相应DIS_COM端加上低电平即可。如需同时显示多个数字，则与普通数码管不同，它要采用分时扫描显示方式，即利用眼睛有视觉残留的特点，在各数码管上分时显示各自需要显示的内容，然后循环显示。从图1可知，数码管对应段的阴极都是并联的控制显示的内容；每个数码管有一个控制端DIS_COM，或者叫选通端，分时显示时控制在DIS_COM1DIS_COM8八个数码管中哪一个显示。因此要使数码管显示数字的条件是选通相应的数码管，同时把段码送到对应的引脚上就可以了。例如要在第一个数码管上显示数字8，这时要选通DIS_COM1，即令DIS_COM1为低电平，同时把段码00000001送到数码管
8、的阴极就可以了。又例如要显示80，这时要分两步：第一要选通DIS_COM1，同时送段码00000001；第二要选通DIS_COM2，同时送段码00000011。然后反复进行第一、二步，这样的话，就会感觉到80是同时显示的了。2. 频率信号产生。数字钟内所需的时钟频率有基准时钟和报时频率。基准时钟应由晶振（4M或2048Hz）分频产生周期为1s的标准信号（即秒脉冲），。报时频率可选用1KHz和2KHz左右（两种频率相差八度音，即频率相差一倍）。另外，为防止按键操作时的抖动，输入电路可以采用延时消除抖动。3. 计时设计思路。若用FPGA实现，分、秒计数器均为模60计数器，用硬件描述语言建一个六十进
9、制计数器的模块，小时计数为模24计数器，同理可建一个十二进制计数器的模块。若用嵌入式MC8051内核实现，可直接运用51软核的内部定时/计数器T0或T1，通过编写相应的驱动程序来构成时钟计数模块。也可以用FPGA或者8051内核通过I2C总线的方式来控制实验底板上的低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片PCF8563T，从而进行实时时钟和日历的读取和修改操作。PCF8653T具体说明请参看1.3.11节介绍。4. 校时功能。数字钟校时可以有多种方式：（1） 分别设置三组按键，分别调整时/分/秒；每一组有“+”、“-”按键。（2） 设置一个切换键，用一组“+”、“-”按键分别设置“时/分/秒”。（3
10、） 为了实现快速校时，若较长时间按下“+”、“-”按键，则可以快速翻滚数字；此时也可以只保留一个“+”或“-”键。5. 显示模块。因为实验平台上的数码管没有经过译码，要写一个七段译码的模块且应考虑数码管为共阳极动态扫描方式，数码管上的小数点应注意关闭。6. I2C总线模块。I2C协议支持任何种类的IC（NMOS、CMOS、双极性）通过两线（串行数据SDA 、串行时钟SCL） 在连接到总线的任意器件间传递信息，每一个IC均可由唯一的地址识别，在本设计中，温度芯片(LM75A)和时钟芯片(PCF8563)均挂载在I2C总线上。七、 系统结构框图本次多功能数字时钟基本功能设计大致可以参照以下构建框图
11、，如图2所示。 图2 系统基本构造框图 也可以采用通过FPGA或者8051内核来控制实验底板上的低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片PCF8563T的方法来实现，系统框图如图3所示。图3 采用PCF8563T芯片作为实时时钟的系统构造框图如上图可见，实验平台上完全提供了系统所需的按键模块、蜂鸣器模块、数码管显示模块，还有实时时钟PCF8563T模块，详细电路原理请参看第一章相应介绍，各器件特性请参看相应的器件手册。在完成系统基本功能的情况下，还可以利用实验平台上的LM75温度传感器模块给数字钟添加实时温度显示功能，并且可以将七段数码管换为实验平台上的LCD液晶显示器作为系统的显示模块，具体电路原理同样可参看第一章1.3.12节介绍。本次实验设计可主要基于FPGA的VHDL编程，或者基于MC8051内核的C语言编程，大致主控芯片程序流程图如图4所示。 图4 主控芯片程序流程图