数字时钟

基于CPLD的VHDL语言数字钟（含秒表）设计

利用一块芯片完成除时钟源、按键、扬声器和显示器（数码管）之外的所有数字电路功能。所有数字逻辑功能都在CPLD器件上用VHDL语言实现。这样设计具有体积小、设计周期短（设计过程中即可实现时序仿真）、调试方便、故障率低、修改升级容易等特点。

本设计采用自顶向下、混合输入方式（原理图输入—顶层文件连接和VHDL语

言输入—各模块程序设计）实现数字钟的设计、下载和调试。

一、功能说明

已完成功能

1. 完成秒／分／时的依次显示并正确计数；

2. 秒／分／时各段个位满10正确进位，秒／分能做到满60向前进位；

3. 定时闹钟：实现整点报时，又扬声器发出报时声音；

4. 时间设置，也就是手动调时功能：当认为时钟不准确时，可以分别对分／时

钟进行调整；

5. 利用多余两位数码管完成秒表显示：A、精度达10ms；B、可以清零；C、完成暂停

可以随时记时、暂停后记录数据。

待改进功能：

1. 闹钟只是整点报时，不能手动设置报时时间，遗憾之一；

2. 秒表不能向秒进位，也就是最多只能记时100ms；

3. 秒表暂停记录数据后不能在原有基础上继续计时，而是复位重新开始。

【注意】秒表为后来添加功能，所以有很多功能不成熟！

二、设计方案

1. 数字钟顶层设计

外部输入要求：输入信号有1kHz／1Hz时钟信号、低电平有效的秒／微秒清零信号CLR、低电平有效的调分信号SETmin、低电平有效的调时信号SEThour；

外部输出要求：整点报时信号SOUND（59分51／3／5／7秒时未500Hz低频声，59分59秒时为1kHz高频声）、时十位显示信号h1（a,b,c,d,e,f,g）、时

个位显示信号h0（a ,b,c,d,e,f,g）、分十位显示信号m1及分个位m0、秒十位

s1及秒个位s0、微秒十位ms1及微秒个位ms0；数码管显示位选信号SEL0／1／2等三个信号。

2. 内部功能模块主要有：

Fenp分频模块：主要是整点报时用的1kH与500Hz的脉冲信号，这里的输

入信号是1KHz信号，所以只要一个二分频即可；时间基准采用1Hz输入信号

直接提供（当然也可以分频取得，这里先用的是分频取得的信号，后考虑到精度问题而采用硬件频率信号。

实现带有100进制进位和清零功能，暂定等功能的微秒模块MINSECONDB 输入为1Hz脉冲和低电平的清零信号CLR与暂定信号STOP，输出微秒个位、十位及进位信号CO（虽然没有实现进位功能，但还是编写了这个端口，只是在连线时悬空）。

实现60进制带有进位和清零功能的秒计数模块SECOND，输入为1Hz脉冲和低电平有效的清零信号CLR，输出秒个位、时位及进位信号CO。

实现60进制带有进位和置数功能的分计数模块MINUTE，输入为1Hz脉冲和高电平有效的使能信号EN，输出分个位、时位及进位信号CO。

实现24进制的时计数模块HOUR，输入为1Hz脉冲和高电平有效的使能信号EN，输出分个位、时位。

实现分时复用功能模块SELTIME，输入为秒（含个／十位）、分、时、扫描时钟CLK1K，输出为D和显示控制信号SEL。

实现整点报时功能模块ALERT，输入为分／秒信号，输出为高频声控Q1K和Q500。

实现译码显示功能模块DISPLAY，输入为D，输出为Q

三、设计框图

四、模块说明（含程序代码）

1. 分频模块

采用原理图输入方式实现2分频与1000分频，但这里并没有用到1000分频，因为后来考虑到精度问题，将千分频用直接输入了。程序如图：利用三个7490进行硬

件分频！

2. 微秒模块

采用VHDL语言输入方式，以时钟clk，清零信号clr以及暂停信号STOP为进程敏感变量，程序如下：

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity MINSECONDb is

port(clk,clrm,stop:in std_logic;----时钟/清零信号

secm1,secm0:out std_logic_vector(3 downto 0);----秒高位/低位

co:out std_logic);-------输出/进位信号

end MINSECONDb;

architecture SEC of MINSECONDb is

signal clk1,DOUT2:std_logic;

begin

process(clk,clrm)

variable cnt1,cnt0:std_logic_vector(3 downto 0);---计数

VARIABLE COUNT2 :INTEGER RANGE 0 TO 10 ;

begin

IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN

IF COUNT2>=0 AND COUNT2<10 THEN

COUNT2:=COUNT2+1;

ELSE COUNT2:=0;

DOUT2<= NOT DOUT2;

END IF;

END IF;

if clrm='1' then----当clr为1时，高低位均为0

cnt1:="0000";

cnt0:="0000";

elsif clk'event and clk='1' then

if stop='1' then

cnt0:=cnt0;

cnt1:=cnt1;

end if;

if cnt1="1001" and cnt0="1000" then----当记数为98（实际是经过59个记时脉冲）

co<='1';----进位

cnt0:="1001";----低位为9

elsif cnt0<"1001" then----小于9时

cnt0:=cnt0+1;----计数

--elsif cnt0="1001" then

--clk1<=not clk1;

else

cnt0:="0000";

if cnt1<"1001" then----高位小于9时

cnt1:=cnt1+1;

else

cnt1:="0000";

co<='0';

end if;

end if;

end if;

secm1<=cnt1;

secm0<=cnt0;

end process;

end SEC;

3. 秒模块程序清单

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity SECOND is

port(clk,clr:in std_logic;----时钟/清零信号

sec1,sec0:out std_logic_vector(3 downto 0);----秒高位/低位co:out std_logic);-------输出/进位信号

end SECOND;

architecture SEC of SECOND is

begin

process(clk,clr)

variable cnt1,cnt0:std_logic_vector(3 downto 0);---计数

begin

if clr='1' then----当ckr为1时，高低位均为0

cnt1:="0000";

cnt0:="0000";

elsif clk'event and clk='1' then

if cnt1="0101" and cnt0="1000" then----当记数为58（实际是经过59个记时脉冲）

co<='1';----进位

cnt0:="1001";----低位为9

elsif cnt0<"1001" then----小于9时

cnt0:=cnt0+1;----计数

else

cnt0:="0000";

if cnt1<"0101" then----高位小于5时

cnt1:=cnt1+1;

else

cnt1:="0000";

co<='0';

end if;

end if;

end if;

sec1<=cnt1;

sec0<=cnt0;

end process;

end SEC;

4. 分模块程序清单

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity MINUTE is

port(clk,en:in std_logic;

min1,min0:out std_logic_vector(3 downto 0);

co:out std_logic);

end MINUTE;

architecture MIN of MINUTE is

begin

process(clk)

variable cnt1,cnt0:std_logic_vector(3 downto 0);

begin

if clk'event and clk='1' then

if en='1' then

if cnt1="0101" and cnt0="1000" then

co<='1';

cnt0:="1001";

elsif cnt0<"1001" then

cnt0:=cnt0+1;

else

cnt0:="0000";

if cnt1<"0101" then

cnt1:=cnt1+1;

else

cnt1:="0000";

co<='0';

end if;

end if;

end if;

end if;

min1<=cnt1;

min0<=cnt0;

end process;

end MIN;

5. 时模块程序清单

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity HOUR is

port(clk,en:in std_logic;----输入时钟/高电平有效的使能信号h1,h0:out std_logic_vector(3 downto 0));----时高位/低位end HOUR;

architecture hour_arc of HOUR is

begin

process(clk)

variable cnt1,cnt0:std_logic_vector(3 downto 0);----记数begin

if clk'event and clk='1' then---上升沿触发

if en='1' then---同时“使能”为1

if cnt1="0010" and cnt0="0011" then

cnt1:="0000";----高位/低位同时为0时

cnt0:="0000";

elsif cnt0<"1001" then----低位小于9时，低位记数累加

cnt0:=cnt0+1;

else

cnt0:="0000";

cnt1:=cnt1+1;-----高位记数累加

end if;

end if;

end if;

h1<=cnt1;

h0<=cnt0;

end process;

end hour_arc;

6. 动态扫描模块

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

entity SELTIME is

port(

clk:in std_logic;------扫描时钟

secm1,secm0,sec1,sec0,min1,min0,h1,h0:in std_logic_vector(3 downto 0);-----分别为秒个位/时位；分个位/

daout:out std_logic_vector(3 downto 0);----------------输出

sel:out std_logic_vector(2 downto 0));-----位选信号

end SELTIME;

architecture fun of SELTIME is

signal count:std_logic_vector(2 downto 0);----计数信号

begin

sel<=count;

process(clk)

begin

if(clk'event and clk='1') then

if(count>="111") then

count<="000";

else

count<=count+1;

end if;

end if;

case count is

when"111"=>daout<= secm0;----秒个位

when"110"=>daout<= secm1;----秒十位

when"101"=>daout<= sec0;----分个位

when"100"=>daout<= sec1;----分十位

when"011"=>daout<=min0; ----时个位

when"010"=>daout<=min1;----时十位

when"001"=>daout<=h0;

when others =>daout<=h1;

end case;

end process;

end fun;

7. 报时模块

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity ALERT is

port(m1,m0,s1,s0:in std_logic_vector(3 downto 0);------输入秒、分高/低位信号clk:in std_logic;------高频声控制

q500,qlk:out std_logic);----低频声控制

end ALERT;

architecture sss_arc of ALERT is

begin

process(clk)

begin

if clk'event and clk='1' then

if m1="0101" and m0="1001" and s1="0101" then----当秒高位为5，低位为9时且分高位为5

if s0="0001" or s0="0011" or s0="0101" or s0="0111" then---当分的低位为1或3或5或7时

q500<='1';----低频输出为1

else

q500<='0';----否则输出为0

end if;

end if;

if m1="0101" and m0="1001" and s1="0101" and s0="1001" then---当秒高位为5，低位为9时且分高位为5，----分低位为9时，也就是“59分59秒”的时候“报时”

qlk<='1';-----高频输出为1

else

qlk<='0';

end if;

end if;

end process;

end sss_arc;

8. 显示模块

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity DISPLAY is

port(d:in std_logic_vector(3 downto 0);----连接seltime扫描部分d信号q:out std_logic_vector(6 downto 0));----输出段选信号（电平）

end DISPLAY;

architecture disp_are of DISPLAY is

begin

process(d)

begin

case d is

when"0000" =>q<="0111111";--显示0

when"0001" =>q<="0000110";--显示1

when"0010" =>q<="1011011";--显示2

when"0011" =>q<="1001111";--显示3

when"0100" =>q<="1100110";--显示4

when"0101" =>q<="1101101";--显示5

when"0110" =>q<="1111101";--显示6

when"0111" =>q<="0100111";--显示7

when"1000" =>q<="1111111";--显示8

when others =>q<="1101111";--显示9

end case;

end process;

end disp_are;

9. 顶层文件（原理图输入）

10.波形仿真（时序图）

五、结论与建议

1.主要是从网上下载，借鉴后自己再根据已学的知识做检查和补充，发挥部分尚不完善。

2.微秒进位还需要改进秒模块结构以及一部分逻辑电路组成。

3.模块化设计有思路清晰、检查方便、扩展功能容易等诸多优势，且部分已经在本设计过程中得以体现。

4.如果能与单片机相结合，相信会有更好的效果，但有些时候CPLD功能比单片机强大得多。

5.总体来讲,要独立开发系统为时尚早，还需要不断学习相关EDA设计知识与技能。

六、参考文献

1.徐向民数字系统设计及VHDL实践北京机械出版社2007.10

2.谢自美. 电子线路设计实验测试(第二版) 武汉华中科技大学出版社2002

文件名说明：

Clock.gdf为不含秒表模块的顶层文件；

Clock02.gdf为含秒表模块的顶层文件；

因已经硬件上实现功能，故这里没有仿真文件；

各模块文件名相同，但目录不同。