畢業(yè)論文基于fpga的學(xué)校打鈴器設(shè)計-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 。近些年，隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對時鐘的要求也越來越高，傳統(tǒng)的時鐘已不能滿足人們的需求。通過仿真驗證及實際測試，打鈴器具有正常計時、定時報警、報警時長設(shè)定等功能，可為日常作息提供準(zhǔn)確、便捷的提醒。本文在介紹FPGA器件的基礎(chǔ)上，著重闡述了如何使用FPGA器件進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)，以及如何實現(xiàn)學(xué)校打鈴系統(tǒng)。數(shù)字化的時鐘給人們帶來了極大的方便。另外，打鈴器也擁有悠久的歷史，從最早的人工打鈴，到如今的電動打鈴、智能打鈴，經(jīng)歷了一系列的變革，人工打鈴不僅費時費力，而且準(zhǔn)確性也不能保證，還可能會造成人為的誤時誤報。EDA技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個由淺到深的過程，先后經(jīng)歷了CAD、CAE和現(xiàn)代意義上的EDA三個階段。因此說，了解了可編程邏輯器件的發(fā)展歷程，也就了解了FPGA的發(fā)展歷程。經(jīng)過20年的發(fā)展，可編程邏輯器件已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，資源更加豐富，使用越來越方便。設(shè)計輸入包括原理圖輸入、HDL 文本輸入、EDIF 網(wǎng)表輸入、波形輸入等幾種方式。主要用于描述離散電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為。比如，打鈴器結(jié)構(gòu)組成中最基本的是數(shù)字鐘。綜合分析和比較方案一和二，方案二中利用EDA技術(shù)設(shè)計學(xué)校打鈴器相對設(shè)計方式靈活，系統(tǒng)連線簡單并易于校驗，修改及完善也相對便捷，可以避免方案一中所用的芯片比較多，連線過于麻煩的問題。在控制信號中除了一般的校時信號外，還有時鐘清零信號。分頻模塊由25k分頻、200分頻、5分頻、50k分頻、250分頻組成。如果將這樣的信號直接送給微處理器掃描采集的話，將可能把按鍵穩(wěn)定前后出現(xiàn)的脈沖信號當(dāng)做按鍵信號，這就出現(xiàn)人為的一次按鍵但微處理器以為多次按鍵的現(xiàn)象。圖27 消抖模塊RTL圖該模塊在這里實現(xiàn)的比較簡單，原理是當(dāng)有按鍵按下的時候，d會變成高電平，當(dāng)有時鐘上升沿到來且按鍵按下時，q輸出高電平。由圖可以看出，隨著1s時鐘脈沖上升沿的到來，每來一次秒計數(shù)的低位就產(chǎn)生一個脈沖，當(dāng)計到9時變?yōu)?，秒計數(shù)的高位變?yōu)?，當(dāng)?shù)臀粸?，高位為5時，也就是計到59時，高、低位都變?yōu)?，且輸出co產(chǎn)生一個脈沖信號，由仿真圖可知滿足設(shè)計的要求。clk接分計時模塊的僅為輸出，給定時鐘信號，clr高電平清零無效，每次達(dá)到時鐘脈沖上升沿時，時計數(shù)低位sl計一個數(shù)，計到9時向高位進(jìn)位，當(dāng)計到24時，高、低都變?yōu)榱悖嫈?shù)重新開始，由仿真圖可知此模塊設(shè)計滿足設(shè)計要求。本模塊主要由定時模塊、比較模塊組成，另外還有正常計時時間和定時時間輸出選擇切換模塊，連接基本數(shù)字鐘模塊的時、分、秒輸出，以及定時時間的時、分輸出，另一端連接動態(tài)顯示模塊，通過外部按鍵來選擇基本時鐘或者是鬧鐘時間設(shè)定的顯示。圖223 比較模塊設(shè)計框圖如圖224所示為比較模塊符號圖。圖227 打鈴模塊符號圖如圖227所示為打鈴模塊符號圖。圖229 報警時長設(shè)定模塊符號圖圖230 報警時長設(shè)定模塊RTL圖如圖231所示為報警時長設(shè)定模塊波形仿真圖。由此可知，蜂鳴器發(fā)生模塊滿足設(shè)計要求，可實現(xiàn)115秒自由調(diào)節(jié)。由此可知，本模塊滿足設(shè)計要求。控制相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的數(shù)符數(shù)量也有限，但其控制簡單，使有也方便。圖240 數(shù)碼管顯示連接圖如圖241所示為動態(tài)掃描模塊符號圖。本設(shè)計由8個獨立按鍵組成，包括兩個撥碼開關(guān)，六個機(jī)械式開關(guān)。LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊，改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。通過按下報警時長調(diào)節(jié)鍵來改變報警時長，圖中報警時長更改為1秒，左為報警時長顯示，右為時鐘時間顯示，顯示時間為十二點十一分二十九秒。在本設(shè)計調(diào)試過程中遇到了一些難點問題，經(jīng)過努力加以解決：當(dāng)程序下載到實驗箱上后，數(shù)碼管顯示全部為零，計數(shù)器不工作，經(jīng)分析得知程序中的總的清零信號保持有效狀態(tài)，改動程序后計數(shù)器開始計數(shù)。參考文獻(xiàn)[1] 劉皖，何道君，[M].北京：清華大學(xué)出版社，：1216[2] [M].北京：中國電力出版社，2003：212218[3] ， HDL硬件描述語言[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：3642[4] 侯伯亨，[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001：1216[5] [M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：6773[6] 李國洪，[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：5657[7] [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：2325[8] [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008，（2）：8283[9] 邢遠(yuǎn)秀，[J].中國科技信息，2008，（1）：2022[10] Zainalabedin : Analysis and Modeling of Digital Systems[M].New York：McGrawHill Professional，1998，（2）:342346[11] 王開軍，[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：2865[12] 劉君，常明，（VHDL）的數(shù)字時鐘設(shè)計[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2007，23(4)：4041[13] 譚會生，[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002：8992 [14] [M].北京：電子工業(yè)出版社，1996：7276附 錄一、程序清單（1）library ieee。 when cqi=25000 and clk=39。 else cqi=cqi+1。 co:out std_logic)。039。 end process。beginco=39。139。use 。039。 end if。end entity。 process (clk) is beginif clk39。 end architecture art。139。entity SECOND isport(cp,clr:in std_logic。t0:=0000。elset0:=0000。sqmsh=t1。 co:out std_logic。139。co=39。end process。sl:buffer std_logic_vector(3 downto 0))。139。end if。use 。then c=b。 k1高電平為調(diào)時，低電平為調(diào)分 Q_hourb: OUT INTEGER RANGE 0 TO 9。 VARIABLE Q_tmphb: INTEGER RANGE 0 TO 9。event AND up_key=39。 ELSE Q_tmpha:=Q_tmpha+1。 END IF。（2）比較模塊LIBRARY ieee。MARM_B: IN INTEGER RANGE 0 TO 9。039。 Q_Y: OUT STD_LOGIC)。139。139。139。139。139。139。039。WHEN 0001011000110101 = Q_Y=39。WHEN 0001011100110000 = Q_Y=39。WHEN 0001100100010101 = Q_Y=39。WHEN 0010000000000101 = Q_Y=39。WHEN 0010000100000000 = Q_Y=39。 WHEN OTHERS= Q_Y=39。ENTITY ctrl_s ISPORT( reset,up_key: IN STD_LOGIC。event AND up_key=39。END a。 BEGIN IF CLK39。 ELSE tmp:=tmp+1。 END IF 。QHBI:IN INTEGER RANGE 0 TO 9。ARCHITECTURE a OF NOR_ARM_CTL IS BEGIN Q_HAO=QHAI WHEN K2=39。 ELSE QM_ARM_A。139。 sh:in std_logic_vector(3 downto 0)。architecture a of dongtaism2 issignal temp:std_logic_vector(2 downto 0)。 else temp=temp+1。when 100 =num:=sl(3 downto 0)。when 000 =num:=ml(3 downto 0)。when 010 =num:=fl(3 downto 0)。when 110 =num:=speaktimel(3 downto 0)。 begin if (clk39。 mh:in std_logic_vector(3 downto 0)。use 。 Q_SAO=QSAI WHEN K2=39。139。Q_HAO,Q_MAO,Q_SAO:OUT INTEGER RANGE 0 TO 9。 USE 。 ELSE tmp:=0。139。 speaktime : in INTEGER RANGE 0 TO 15。 END IF 。BEGIN IF reset=39。 END PROCESS。WHEN 0010001000000000 = Q_Y=39。WHEN 0010000000010101 = Q_Y=39。WHEN 0001100100100000 = Q_Y=39。WHEN 0001100000110000 = Q_Y=39。WHEN 0001011001000101 = Q_Y=39。WHEN 0001010101010000 = Q_Y=39。139。139。139。139。139。139。 Q_HA amp。ENTITY COMP_TIME ISPORT( K3: IN STD_LOGIC。 BEGIN SPEAK=CLK0 AND Y。QH_B:IN INTEGER RANGE 0 TO 9。 Q_minueb=Q_tmpmb。 ELSIF Q_tmpma=9 THEN Q_tmpma:=0。 THEN IF Q_tmphb=2 AND Q_tmpha=3 THEN Q_tmphb:=0。 Q_tmpmb:= 0。END ctrl_memo。end one。 c: out std_logic )。end process。if(sl9)then sl=sl+1。)thensh=0000。use 。end if。elsif t01001 thent0:=t0+1。beginif clk39。（2）分計數(shù)模塊library ieee。039。 thenif t1=0101 and t0=1000 thenco=39。architecture SEC of SECOND isbeginprocess(cp,clr)variable t1,t0:std_logic_vector(3 downto 0)。end architecture art。q:out std_logic)。 else cqi=cqi+1。 when cqi=250 and clk=39。（5）library ieee。event and clk=39。Architecture art of t50e issignal cqi : integer range 1 to 50e3。 end if。else 39。entity t200 is port( clk :in std_logic。then if cqi=5 then cqi=1。139。 end architecture art。 process (clk) is beginif clk39。end entity。從實際系統(tǒng)測試可知，學(xué)校打鈴器滿足設(shè)計要求，通過復(fù)位按鍵可對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，可實現(xiàn)基本時鐘的顯示及調(diào)時調(diào)分，具有鬧鐘功能，作息時間有春夏之分，當(dāng)前時鐘時間與學(xué)校上下課時間點相同時打鈴，且計時時間、定時時間、打鈴時長可自由設(shè)置和調(diào)整，報警時長可在1至15秒內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其數(shù)據(jù)信息都可以通過數(shù)碼管顯示，鬧鐘報警和作息報時通過蜂鳴器來實現(xiàn)。在設(shè)計電路中，往往是先仿真后連接實物圖，但有時候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如在對具體模塊的仿真的過程中，往往沒有考慮到整體設(shè)計的層面以及與上下模塊接口的設(shè)計。當(dāng)前狀態(tài)為正常計時狀態(tài)，將復(fù)位按鍵設(shè)為高電平，計時開始，時鐘、鬧鐘顯示切換按鍵為高電平時顯示時鐘時間，可通過時鐘調(diào)時、調(diào)分鍵對時鐘時間進(jìn)行調(diào)整，數(shù)碼管顯示從左到右依次為：報警時長十位、個位，時鐘時間時高位、時低位，分高位、分低位，秒高位、秒低位，顯示時間為十二點十九分十八秒，報警時長為十五秒。單相交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。圖241 動態(tài)掃描模塊符號圖如圖242所示為動態(tài)掃描模塊波形仿真圖。所謂動態(tài)掃描顯示方式是在顯示某一位LED顯示塊的數(shù)據(jù)的時候，讓其它位不顯示，然后在顯示下一位的數(shù)據(jù)，同時關(guān)閉其他顯示塊