一種基于FPGA的數(shù)字秒表設(shè)計方法

摘要：文中介紹了一種基于FPGA的數(shù)字秒表設(shè)計方法。采用VHDL硬件描述語言，運用ModelSim等EDA仿真工具。該設(shè)計具有外圍電路少、集成度高、可靠性強等優(yōu)點。最后經(jīng)實驗驗證，該數(shù)字秒表計時準(zhǔn)確，輸入信號能準(zhǔn)確控制秒表運行。系統(tǒng)所采用的自上而下的模塊化設(shè)計方法，對于其他復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計也有很強的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：FPGA；數(shù)字秒表；模塊化設(shè)計；VHDL

    數(shù)字集成電路作為當(dāng)今信息時代的基石，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。面對如此巨大的市場，要求數(shù)字集成電路的設(shè)計周期盡可能短、實驗成本盡可能低，最好能在實驗室直接驗證設(shè)計的準(zhǔn)確性和可行性，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA。對于芯片設(shè)計而言，F(xiàn)PCA的易用性不僅使得設(shè)計更加簡單、快捷，并且節(jié)省了反復(fù)流片驗證的巨額成本。對于某些小批量應(yīng)用的場合，甚至可以直接利用FPGA實現(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)計方法，在設(shè)計過程中使用基于VHDL的EDA工具M(jìn)odelSim對各個模塊仿真驗證，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
    一個完整的數(shù)字秒表應(yīng)具有計時、相應(yīng)的控制以及計時結(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，右邊是顯示計時結(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，計時范圍為：1小時，精度為0．01s。

    輸入時鐘信號由32MHz的石英晶振提供，考慮到設(shè)計指標(biāo)要求秒表精度為0．01秒，計數(shù)脈沖的時鐘輸入就應(yīng)該是頻率為100Hz的脈沖，所以先要設(shè)計一個320000分頻器，分頻器的輸出可作計數(shù)器的輸入；其次計數(shù)模塊設(shè)計應(yīng)綜合考慮秒表的計時范圍(1小時)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4個模10計數(shù)器和2個模6計數(shù)器來實現(xiàn)，其中較低位的進(jìn)位輸出就是高位的計數(shù)輸入端。
    控制模塊應(yīng)包括開始計時／停止計時、復(fù)位兩個按鈕，即電路設(shè)計經(jīng)常用到的使能端和清零端，這兩個控制端口直接接到計數(shù)器的清零和史能端即可實現(xiàn)復(fù)位、開始計時／停止計時；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)橛嫈?shù)器可用的使能控制信號。因此在輸入使能信號和計數(shù)器使能輸入之間需設(shè)計一個信號轉(zhuǎn)換模塊。
    顯示計數(shù)結(jié)果的模塊實現(xiàn)較為簡單，只需將六位計數(shù)結(jié)果通過七段譯碼電路接到輸出即可點亮數(shù)碼管，無需時序控制，直接用組合邏輯電路就可以實現(xiàn)。數(shù)碼管顯示可以采用掃描顯示，用一個頻率1KHz的信號掃描一個多路選擇器，實現(xiàn)對六位已經(jīng)鎖存的計數(shù)結(jié)果的掃描輸出。

2 各功能模塊設(shè)計
2．1 分頻器模塊
    分頻器的功能是提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘控制信號以精確控制計數(shù)器的開閉，提供的標(biāo)準(zhǔn)信號是32MHz，根據(jù)設(shè)計精度0．01s的要求，輸出信號是100Hz，所該分頻器實現(xiàn)的功能是320000分頻，具體的VHDL源程序：
   
2．2 計數(shù)模塊
    該計數(shù)器要實現(xiàn)最大計數(shù)值為59分59秒99的計數(shù)，而且為了數(shù)碼管顯示方便，該模塊必須通過計數(shù)器的級聯(lián)來實現(xiàn)，即首先分別設(shè)計一個模6計數(shù)器和一個模10計數(shù)器，然后將他們級聯(lián)，其中調(diào)用4次模10計數(shù)器、2次模6計數(shù)器，這樣可以比直接設(shè)計模100的計數(shù)器和模60的計數(shù)器節(jié)省資源。級聯(lián)時低位的計數(shù)進(jìn)位輸出接高位的計數(shù)輸入端，如圖3所示。再考慮到控制模塊的要求，每個計數(shù)器有三個輸入端：時鐘、使能和清零，兩個輸出端：計數(shù)輸出和進(jìn)位輸出，采用同步使能異步清零的設(shè)計方法，每個計數(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計數(shù)器的VHDL源程序如下：
   
   
    模10計數(shù)器的VHDL源程序與模6計數(shù)器類似，為節(jié)省篇幅，不再給出。
2．3 使能信號轉(zhuǎn)換模塊
    數(shù)字秒表輸入的開始和停止信號是單個脈沖信號，而計數(shù)器要持續(xù)計數(shù)所需的使能信號是持續(xù)的高電平，所以需要通過使能控制電路實現(xiàn)使能信號的轉(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)計可知，計數(shù)器輸出為二進(jìn)制碼，不能直接點亮數(shù)碼管，要想將計數(shù)結(jié)果通過數(shù)碼管顯示必須再設(shè)計一個七段譯碼電路，以便將計數(shù)結(jié)果輸出。通過分析可知該譯碼器是一個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 功能驗證以及下載實現(xiàn)
    完成以上各個子模塊的設(shè)計后，該數(shù)字秒表的模塊設(shè)計就基本完成了，剩下的工作就是通過一個頂層文件將各個子模塊連接起來。在頂層文件中可以將以上各個子模塊看作一個個黑匣子，只將其輸入輸出端對應(yīng)相連就可以了。下面是該頂層文件的VHDL源程序：
   
   
    由于各個子模塊都已經(jīng)經(jīng)過驗證無誤，并且頂層文件中不涉及復(fù)雜的時序關(guān)系，相當(dāng)于只是將各個模塊用導(dǎo)線連接起來，只要各個端口的連接對應(yīng)正確即可，所以不需寫專門的test bench進(jìn)行驗證。完成以上設(shè)計后，即可進(jìn)行邏輯綜合，綜合無誤后進(jìn)行管腳適配，生成．bit文件然后下載到實驗板上測試。經(jīng)過反復(fù)多次測試，以上設(shè)計完全滿足了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)，開始／停止按鍵和清零按鍵都能準(zhǔn)確的控制秒表的運行，七段顯示數(shù)碼管也能夠準(zhǔn)確的顯示計時結(jié)果。通過與標(biāo)準(zhǔn)秒表對比，該設(shè)計的計時誤差在0．03s以內(nèi)，而這其中也包括實驗板上品振由于長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)計方法，采用了當(dāng)下最流行的EDA設(shè)計手段。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。通過實驗驗證，本文設(shè)計的數(shù)字秒表計時準(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)計時模塊。
    利用EDA設(shè)計工具，結(jié)合基于FPGA的可編程實驗板，輕松實現(xiàn)電子芯片的設(shè)計，現(xiàn)場觀察實驗結(jié)果，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期和調(diào)試周期，提高了設(shè)計的可靠性和成功率，體現(xiàn)了邏輯器件在數(shù)字設(shè)計中優(yōu)越性。