一種基于FPGA的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)方法

摘要：文中介紹了一種基于FPGA的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)方法。采用VHDL硬件描述語言，運(yùn)用ModelSim等EDA仿真工具。該設(shè)計(jì)具有外圍電路少、集成度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最后經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該數(shù)字秒表計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，輸入信號(hào)能準(zhǔn)確控制秒表運(yùn)行。系統(tǒng)所采用的自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)于其他復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有很強(qiáng)的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：FPGA；數(shù)字秒表；模塊化設(shè)計(jì)；VHDL

    數(shù)字集成電路作為當(dāng)今信息時(shí)代的基石，不僅在信息處理、工業(yè)控制等生產(chǎn)領(lǐng)域得到普及應(yīng)用，并且在人們的日常生活中也是隨處可見，極大的改變了人們的生活方式。面對(duì)如此巨大的市場(chǎng)，要求數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)周期盡可能短、實(shí)驗(yàn)成本盡可能低，最好能在實(shí)驗(yàn)室直接驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列FPGA。對(duì)于芯片設(shè)計(jì)而言，F(xiàn)PCA的易用性不僅使得設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、快捷，并且節(jié)省了反復(fù)流片驗(yàn)證的巨額成本。對(duì)于某些小批量應(yīng)用的場(chǎng)合，甚至可以直接利用FPGA實(shí)現(xiàn)，無需再去訂制專門的數(shù)字芯片。
    文中著重介紹了一種基于FPGA利用VHDL硬件描述浯言的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中使用基于VHDL的EDA工具M(jìn)odelSim對(duì)各個(gè)模塊仿真驗(yàn)證，并給出了完整的源程序和仿真結(jié)果。

1 總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    一個(gè)完整的數(shù)字秒表應(yīng)具有計(jì)時(shí)、相應(yīng)的控制以及計(jì)時(shí)結(jié)果顯示功能，總體的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。黑色線框內(nèi)是計(jì)數(shù)模塊、使能轉(zhuǎn)化模塊和顯示譯碼模塊，左邊是輸入控制信號(hào)，右邊是顯示計(jì)時(shí)結(jié)果的數(shù)碼顯示管，用六位BCD七段數(shù)碼管顯示讀數(shù)，顯示格式如圖2，計(jì)時(shí)范圍為：1小時(shí)，精度為0．01s。

    輸入時(shí)鐘信號(hào)由32MHz的石英晶振提供，考慮到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求秒表精度為0．01秒，計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)鐘輸入就應(yīng)該是頻率為100Hz的脈沖，所以先要設(shè)計(jì)一個(gè)320000分頻器，分頻器的輸出可作計(jì)數(shù)器的輸入；其次計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮秒表的計(jì)時(shí)范圍(1小時(shí))和顯示輸出(6位輸出)，6位輸出中有兩位是六進(jìn)制輸出，其余四位是十進(jìn)制輸出，所以可通過設(shè)計(jì)4個(gè)模10計(jì)數(shù)器和2個(gè)模6計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，其中較低位的進(jìn)位輸出就是高位的計(jì)數(shù)輸入端。
    控制模塊應(yīng)包括開始計(jì)時(shí)／停止計(jì)時(shí)、復(fù)位兩個(gè)按鈕，即電路設(shè)計(jì)經(jīng)常用到的使能端和清零端，這兩個(gè)控制端口直接接到計(jì)數(shù)器的清零和史能端即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位、開始計(jì)時(shí)／停止計(jì)時(shí)；但是外圍使能輸入需要經(jīng)過使能轉(zhuǎn)換電路后，才可變?yōu)橛?jì)數(shù)器可用的使能控制信號(hào)。因此在輸入使能信號(hào)和計(jì)數(shù)器使能輸入之間需設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。
    顯示計(jì)數(shù)結(jié)果的模塊實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，只需將六位計(jì)數(shù)結(jié)果通過七段譯碼電路接到輸出即可點(diǎn)亮數(shù)碼管，無需時(shí)序控制，直接用組合邏輯電路就可以實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼管顯示可以采用掃描顯示，用一個(gè)頻率1KHz的信號(hào)掃描一個(gè)多路選擇器，實(shí)現(xiàn)對(duì)六位已經(jīng)鎖存的計(jì)數(shù)結(jié)果的掃描輸出。

2 各功能模塊設(shè)計(jì)
2．1 分頻器模塊
    分頻器的功能是提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘控制信號(hào)以精確控制計(jì)數(shù)器的開閉，提供的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是32MHz，根據(jù)設(shè)計(jì)精度0．01s的要求，輸出信號(hào)是100Hz，所該分頻器實(shí)現(xiàn)的功能是320000分頻，具體的VHDL源程序：
   
2．2 計(jì)數(shù)模塊
    該計(jì)數(shù)器要實(shí)現(xiàn)最大計(jì)數(shù)值為59分59秒99的計(jì)數(shù)，而且為了數(shù)碼管顯示方便，該模塊必須通過計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，即首先分別設(shè)計(jì)一個(gè)模6計(jì)數(shù)器和一個(gè)模10計(jì)數(shù)器，然后將他們級(jí)聯(lián)，其中調(diào)用4次模10計(jì)數(shù)器、2次模6計(jì)數(shù)器，這樣可以比直接設(shè)計(jì)模100的計(jì)數(shù)器和模60的計(jì)數(shù)器節(jié)省資源。級(jí)聯(lián)時(shí)低位的計(jì)數(shù)進(jìn)位輸出接高位的計(jì)數(shù)輸入端，如圖3所示。再考慮到控制模塊的要求，每個(gè)計(jì)數(shù)器有三個(gè)輸入端：時(shí)鐘、使能和清零，兩個(gè)輸出端：計(jì)數(shù)輸出和進(jìn)位輸出，采用同步使能異步清零的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)計(jì)數(shù)器的使能和清零端都與外圍的使能和清零端相聯(lián)。

    該模塊的源程序以及ModelSim仿真輸出結(jié)果如下：

    模6計(jì)數(shù)器的VHDL源程序如下：
   
   
    模10計(jì)數(shù)器的VHDL源程序與模6計(jì)數(shù)器類似，為節(jié)省篇幅，不再給出。
2．3 使能信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊
    數(shù)字秒表輸入的開始和停止信號(hào)是單個(gè)脈沖信號(hào)，而計(jì)數(shù)器要持續(xù)計(jì)數(shù)所需的使能信號(hào)是持續(xù)的高電平，所以需要通過使能控制電路實(shí)現(xiàn)使能信號(hào)的轉(zhuǎn)換。該模塊的VHDL源程序以及ModelSim仿真輸出結(jié)果如下：
    該模塊源程序：
   
2．4 譯碼顯示模塊
    由上面的設(shè)計(jì)可知，計(jì)數(shù)器輸出為二進(jìn)制碼，不能直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，要想將計(jì)數(shù)結(jié)果通過數(shù)碼管顯示必須再設(shè)計(jì)一個(gè)七段譯碼電路，以便將計(jì)數(shù)結(jié)果輸出。通過分析可知該譯碼器是一個(gè)4輸入，7輸出元件，其真值表如表1所示：

    根據(jù)以上真值表可寫出譯碼電路VHDL源程序如下：
   
       

3 功能驗(yàn)證以及下載實(shí)現(xiàn)
    完成以上各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)后，該數(shù)字秒表的模塊設(shè)計(jì)就基本完成了，剩下的工作就是通過一個(gè)頂層文件將各個(gè)子模塊連接起來。在頂層文件中可以將以上各個(gè)子模塊看作一個(gè)個(gè)黑匣子，只將其輸入輸出端對(duì)應(yīng)相連就可以了。下面是該頂層文件的VHDL源程序：
   
   
    由于各個(gè)子模塊都已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證無誤，并且頂層文件中不涉及復(fù)雜的時(shí)序關(guān)系，相當(dāng)于只是將各個(gè)模塊用導(dǎo)線連接起來，只要各個(gè)端口的連接對(duì)應(yīng)正確即可，所以不需寫專門的test bench進(jìn)行驗(yàn)證。完成以上設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)行邏輯綜合，綜合無誤后進(jìn)行管腳適配，生成．bit文件然后下載到實(shí)驗(yàn)板上測(cè)試。經(jīng)過反復(fù)多次測(cè)試，以上設(shè)計(jì)完全滿足了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)，開始／停止按鍵和清零按鍵都能準(zhǔn)確的控制秒表的運(yùn)行，七段顯示數(shù)碼管也能夠準(zhǔn)確的顯示計(jì)時(shí)結(jié)果。通過與標(biāo)準(zhǔn)秒表對(duì)比，該設(shè)計(jì)的計(jì)時(shí)誤差在0．03s以內(nèi)，而這其中也包括實(shí)驗(yàn)板上品振由于長(zhǎng)期使用所帶來的誤差。

4 結(jié)束語
    本文所介紹數(shù)字秒表設(shè)計(jì)方法，采用了當(dāng)下最流行的EDA設(shè)計(jì)手段。在Xinlinx FPGA開發(fā)環(huán)境下，采用至上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，使得系統(tǒng)開發(fā)速度快、成本低、系統(tǒng)性能大幅度提升。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字秒表計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定，可以很容易嵌入其他復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，充當(dāng)計(jì)時(shí)模塊。
    利用EDA設(shè)計(jì)工具，結(jié)合基于FPGA的可編程實(shí)驗(yàn)板，輕松實(shí)現(xiàn)電子芯片的設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和調(diào)試周期，提高了設(shè)計(jì)的可靠性和成功率，體現(xiàn)了邏輯器件在數(shù)字設(shè)計(jì)中優(yōu)越性。