畢業(yè)論文基于fpga的學(xué)校打鈴器設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 接按鍵模塊；speaktime[3..0]為報警時長的輸出，連接蜂鳴器發(fā)生模塊的輸入端。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。復(fù)位按鍵reset設(shè)為高電平，給up_key一定脈沖時鐘，沒到達一次脈沖上升沿，speaktime就加一，當計到15時重新從0開始，實現(xiàn)了報警時長在1至15秒內(nèi)自由設(shè)定的要求。圖231 報警時長設(shè)定模塊波形仿真圖如圖232所示為蜂鳴器電路。本設(shè)計需用兩個蜂鳴器，一個蜂鳴器用于學(xué)校作息時間報時，另外一個蜂鳴器用于鬧鐘報警。圖232 蜂鳴器電路如圖233，234所示為蜂鳴器發(fā)聲模塊符號圖和RTL圖。QY接比較模塊的輸出，相當于蜂鳴器發(fā)生模塊的使能信號；CLK接1Hz的時鐘模塊，報警可實現(xiàn)每一秒響一下；speaktime[3..0]接報警時長設(shè)定模塊的輸出，為報警持續(xù)的時間長度，范圍在一秒至十五秒以內(nèi)；q_20s為蜂鳴器發(fā)聲模塊的輸出，接蜂鳴器的負極。 圖233 蜂鳴器發(fā)聲模塊符號圖 圖234 蜂鳴器發(fā)聲模塊RTL圖如圖235所示為蜂鳴器發(fā)聲模塊波形仿真圖。給clk接入一定脈沖，speaktime為一秒，當Q_Y為高電平時，伴隨時鐘脈沖下一個周期的到來，q_20s由低電平變?yōu)楦唠娖剑唠娖匠掷m(xù)時間與時鐘脈沖的一個周期相等，實際測試時，時鐘脈沖為1Hz的秒信號，所以報警時長為1s；當設(shè)定speaktime為15秒時，q_20s伴隨時鐘脈沖下一個周期的到來，由低電平變?yōu)楦唠娖剑掷m(xù)時間與時鐘脈沖的15個周期相等，可實現(xiàn)15s的報警時長。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)。圖235 蜂鳴器發(fā)聲模塊波形仿真圖對于本學(xué)校打鈴器的設(shè)計，必不可少的就是顯示模塊的設(shè)計，因為根據(jù)設(shè)計要求，時鐘的計時顯示、鬧鐘的時間設(shè)定、蜂鳴器報警時長的設(shè)定，都需要數(shù)碼管來顯示，實際應(yīng)用的時候，數(shù)碼管的顯示是最直觀的表現(xiàn)。如圖236所示為時間切換模塊設(shè)計框圖。設(shè)計思路為：通過K2來進行時間切換，當K2為高電平時，輸出正常計時時間；當K2為低電平時，輸出定時時間。圖236 時間切換模塊設(shè)計框圖 圖237 時間切換模塊符號圖如圖237所示為時間切換模塊符號圖。K2為切換按鍵輸入，用于切換時間輸出；QSAI[3..0]為時鐘時間秒低位，QSBI[3..0]為時鐘時間秒高位，QMAI[3..0]為時鐘時間分低位，QMBI[3..0]為時鐘時間分高位，QHAI[3..0]為時鐘時間時低位，QHBI[3..0]為時鐘時間時高位；QH_ARM_A[3..0]為定時時間時低位，QH_ARM_B[3..0]為定時時間時高位，QM_ARM_A[3..0]為定時時間分低位，QM_ARM_B[3..0]為定時時間分高位；Q_HAO[3..0]為時間切換模塊的時低位，Q_HBO[3..0]為時間切換模塊的時高位，Q_MAO[3..0]為時間切換模塊的分低位，Q_MBO[3..0]為時間切換模塊的分高位，Q_SAO[3..0]為時間切換模塊的秒低位，Q_SBO[3..0]為時間切換模塊的秒高位。圖238 時間切換模塊波形仿真圖如圖238所示為時間切換模塊波形仿真圖。設(shè)定時鐘時間為21點34分52秒，定時時間為12點整；當K2為高電平時，模塊輸出為時鐘時間21點34分52秒；當K2為低電平時，模塊輸出為定時時間十二點整。由此可知，本模塊滿足設(shè)計要求。所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作（點亮），但利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄滅時的余輝效應(yīng)，看到的卻是多個字符“同時”顯示。顯示器的亮度既與點亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)[10]。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個8位I/O口（稱為掃描口或字位口），控制各位LED顯示器所顯示的字形也需要一個8位口（稱為數(shù)據(jù)口或字形口）。調(diào)整電流和時間參烽，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示[11]。7段數(shù)碼管一般由8個發(fā)光二極管組成，其中由7個細長的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示，另外一個圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點。當發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)光。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。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管，本設(shè)計使用共陰數(shù)碼管，如圖239所示為七段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖。圖239 七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)如圖240所示為數(shù)碼管顯示連接圖。動態(tài)掃描電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且輸出數(shù)碼管的片選信號和位選信號[12]。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。這樣做可以使每一個顯示塊顯示與自己相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。只要保證每一位顯示的時間間隔不要太大，利用人眼的視覺暫留的現(xiàn)象，就可以造成各位數(shù)據(jù)同時顯示的假象[13]。一般每一位的顯示時間為1~10ms。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。該模塊的輸入端口clk是頻率為5kHZ的掃描時鐘，需要掃描8個數(shù)碼管。由分頻模塊提供，數(shù)碼管顯示時、分和秒，以及報警時間。其它輸入端口接計數(shù)模塊輸出的數(shù)據(jù)；輸出端口segout[7..0]動態(tài)輸出掃描的數(shù)據(jù)；端口selout[7..0]輸出數(shù)碼管的片選信號。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。給定一定時鐘脈沖，設(shè)定時鐘時間為21點01分25秒，隨著脈沖上升沿的到來，數(shù)碼管的片選信號逐一變?yōu)榈碗娖剑謩e輸出時鐘時間或定時時間，以及報警時長，有波形仿真圖可知此模塊滿足設(shè)計要求。圖242 動態(tài)掃描模塊波形仿真圖本設(shè)計需要對計時時間和鬧鐘時間進行調(diào)整，調(diào)整的過程需要用到按鍵電路，用到兩種按鍵，一種是機械式開關(guān)，另外一種是撥碼開關(guān)。由于按鍵電路比較簡單，在此主要介紹按鍵各自完成的功能。本設(shè)計由8個獨立按鍵組成，包括兩個撥碼開關(guān)，六個機械式開關(guān)。其中2個撥碼開關(guān)分別用于調(diào)節(jié)報警時長以及鬧鐘定時時間的調(diào)節(jié)；另外6個機械式開關(guān)分別用于復(fù)位，數(shù)碼管顯示切換，鬧鐘定時時、分切換，作息時間切換，時鐘時間時、分調(diào)節(jié)。如圖243所示為按鍵介紹圖。圖243 按鍵介紹設(shè)計電源的目地是給FPGA、數(shù)碼管、蜂鳴器、按鍵提供工作電壓，所以電路設(shè)計極其重要，穩(wěn)定性必須好，否則會影響各種器件的正常工作，進而影響到打鈴器的準確性，在電子電路及設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。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244 直流穩(wěn)壓電源電路圖如圖244所示為直流穩(wěn)壓電源電路圖。220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路D1～D4和濾波電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。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。D1，D2用于保護LM317，～37V。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件[14]。 第三章 實驗結(jié)果分析將設(shè)計程序下載到實驗箱上進行實際測試，以下為實際測試過程：如圖31所示為實際測試圖一。當前狀態(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。圖31 實際測試圖一如圖32所示為實際測試圖二。此圖為鬧鐘設(shè)定時間的顯示，通過時鐘、鬧鐘顯示切換按鍵來進行切換，當為低電平時顯示鬧鐘時間，可通過定時調(diào)時調(diào)分切換按鍵來選擇調(diào)整時或分，按下鬧鐘時間調(diào)節(jié)的撥碼開關(guān)進行鬧鐘時間設(shè)定，圖中數(shù)碼管顯示從左到右依次為：報警時長高位、低位，定時時間時高位、時低位，分高位、分地位，秒高位、秒低位，當前顯示鬧鐘設(shè)定時間為十二點十三分，報警時長為十五秒，當時鐘時間為十二點十三分時，蜂鳴器報警，時長為十五秒。圖32 實際測試圖二如圖33所示為實際測試圖三。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。時鐘時間計到設(shè)定的學(xué)校作息時間時，蜂鳴器報警，持續(xù)時間為當前設(shè)定的報警時長。測試說明，最終結(jié)果與預(yù)期效果基本一致，時、分、秒能夠正常計數(shù)并可調(diào)節(jié)時間，學(xué)校上下課時間打鈴功能正常，并且可以通過按鍵調(diào)整作息時間以及報警時長。在學(xué)校打鈴器設(shè)計過程中，更加熟悉了利用QuartusII軟件進行原理圖繪制的方法，硬件描述語言VHDL的編寫模塊的技巧等，并能根據(jù)仿真結(jié)果分析設(shè)計的存在的問題和缺陷，從而進行程序的修改和完善。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。再加上器件對信號的延時等問題，實際下載到實驗箱上后會出現(xiàn)一系列的問題，因此仿真圖和電路連接圖還是有一定區(qū)別的。圖33 實際測試圖三學(xué)校打鈴器的設(shè)計重點在于按鍵的控制和各個模塊代碼的編寫，雖然能把鍵盤接口和各個模塊的代碼編寫出來，并能正常顯示，但對于各個模塊的優(yōu)化設(shè)計還有一定的缺陷和不足。總的來說，通過這次的設(shè)計實驗更進一步地增強了實驗的動手能力，對打鈴器的工作原理也有了更加透徹的理解。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)。當秒時鐘計數(shù)到59時變0時，分計數(shù)模塊滯后計數(shù)，考慮的器件的延時，將程序中秒的進位信號提前1秒。在對學(xué)校打零時間設(shè)置及更改的問題上，一開始想通過ROM實現(xiàn)，但思考之后還是采用了通過程序?qū)崿F(xiàn)的方法，因為ROM只能讀不能寫。在檢測按鍵時，由于有些按鍵控制是秒時鐘同步的，所以控制起來顯得稍微慢些，但是工作正常，能滿足實際的需要。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)。本設(shè)計是采用硬件描述語言和FPGA芯片相結(jié)合進行的學(xué)校打鈴器的研究，從中可以看出EDA技術(shù)的發(fā)展在一定程度上實現(xiàn)了硬件設(shè)計的軟件化，設(shè)計的過程相對簡單，容易修改。本設(shè)計中仍存在一定不足，用來控制學(xué)校打鈴器的按鍵為八個，數(shù)量較多，在實際應(yīng)用中會帶來不便，以后可以考慮進一步優(yōu)化，如，可通過加入位選控制按鍵來實現(xiàn)節(jié)省按鍵資源，一鍵多用，便可以減少按鍵，實現(xiàn)同樣的控制功能。另外，在本設(shè)計的基礎(chǔ)上還可以進行一系列的創(chuàng)新，比如增加音樂報警的功能，取代稍有刺耳的蜂鳴聲，會使用戶在實際應(yīng)用中多一份樂趣，還可以加入遙控功能、語音識別等等，相信隨著電子技術(shù)的發(fā)展，打鈴器的功能會更加多樣化，滿足人們的各種需要，為人們以后的工作和生活提供更多的方便。參考文獻[1] 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