一、实验原理 ：
用层次化设计的方法以VHDL语言编程实现以下功能：
【1】 具有“时”、“分”、“秒”计时功能；时为24进制，分和秒都为60进制。
【2】 具有消抖功能：手工按下键盘到是否这个过程大概50ms左右，在按下开始到弹簧片稳，定接触这段时间为5-10ms，从释放到弹片完全分开也是5-10ms，在达到稳定接触和完全分开的微观过程中，电平是时高时低的，因此如果在首次检测到键盘按下时延时10ms再检测就不会检测到抖动的毛刺电平了。64Hz的信号周期为15.6ms，正适合做消抖信号。
【3】 具有校时和清零功能,能够用4Hz脉冲对“小时”和“分”进行调整，并可进行秒零；
【4】 具有整点报时功能。在59分51秒、53秒、55秒、57秒发出低音512Hz信号,在59分59秒发出一次高音1024Hz信号,音响持续1秒钟,在1024Hz音响结束时刻为整点。
【5】 具有一键设定闹铃及正常计时与闹铃时间的显示转换。闹时时间为一分钟。
二、程序流程：
1、秒计数器模块设计：
模块图如图1。六十进制带进位计数器，可清零，clk输入信号为1Hz脉冲，当q0计满9后q1增加1，当q0满9且q1记满5，q1、q0同时归零，co输出为高电平。q1为十位q0为个位。
图1
程序如下：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity c60 is
Port ( clk,clr : in std_logic;
co :out std_logic;
q1,q0 : out std_logic_vector(3 downto 0));
end c60;
architecture one of c60 is
begin
process (clk,clr)
variable cq1,cq0:std_logic_vector(3 downto 0);
begin
if clr='1' then cq1:=(others=>'0');cq0:=(others=>'0');
elsif (clk'event and clk='1') then
if cq0<9 then cq0:=cq0 +1;co<='0';
elsif cq1<5 then cq1:=cq1+1;cq0:=(others=>'0');
elsif cq1=5 and cq0=9
then co<='1';cq1:=(others=>'0'); cq0:=(others=>'0');
else co<='0';
end if;
end if;
q1<=cq1;
q0<=cq0;
end process;
end one;
仿真结果如下图2
2、分计数器同上。注：不同之处为分的clk输入信号为秒的进位信号。
3、时计数器：
模块图如图3。24进制无进位计数器，当计数信号计到23后再检测到计数信号时会自动零。带清零，clk输入为分秒进位相与的结果。q1为十位，q0为个位。
图3
程序如下：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity c24 is
Port ( clk : in std_logic;
q1,q0 : out std_logic_vector(3 downto 0));
end c24;
architecture one of c24 is
begin
process (clk)
variable cq1,cq0:std_logic_vector(3 downto 0);
begin
if (clk'event and clk='1') then
if cq1="0010" and cq0="1001" then
cq1:="0000"; cq0:="0000";
elsif cq0<"1001" then
cq0:=cq0+1;
else cq0:="0000"; cq1:=cq1+1;
end if;
end if;
q1<=cq1;q0<=cq0;
end process;
end one;
仿真波形如下图4：
图4
4、分频器：
模块图如图5。由四个分频器构成，输入信号in_clk为1024Hz脉冲信号。把输入的1024Hz信号分频为四个脉冲信号，即1Hz的秒脉冲，4Hz的校时、校分脉冲，64Hz的消抖脉冲以及512Hz的蜂鸣器低音输入。
图5
程序如下：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity div is
Port ( in_clk : in std_logic;
clk_512, clk_1,clk_4 ,clk_64:out std_logic);
end div;
architecture one of div is
signal q512,a,b,c:std_logic;
signal c1,c4,c64:integer range 512 downto 0;
begin
process(in_clk)
begin
if in_clk'event and in_clk='1' then
q512<=not q512;
if c64>=7 then c64<=0;c<=not c;else c64<=c64+1;end if;
if c4>=127 then c4<=0;b<=not b;else c4<=c4+1;end if;
if c1>=511 then c1<=0;a<=not a;else c1<=c1+1;end if;
end if;
end process;
clk_512<=q512;
clk_1<=a;
clk_4<=b;
clk_64<=c;
end one;
仿真波形如下图6：
图6
5、消抖：
模块图如图7。分频出的用64Hz信号对sa校时信号、sb校分信号、sc秒清零信号、sd闹时设置信号进行防抖动处理。是由四个两级d触发器构成的，分别对输入的sa、sb、sc、sd
信号的相邻两个上升沿进行比较以确定按键的按下，从而达到消抖的目的。
图7
程序如下：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity xd is
Port ( clk_64 : in std_logic;
hj,mj,sclr,sdo :out std_logic;
sa,sb,sc,sd : in std_logic);
end xd;
architecture one of xd is
begin
process(clk_64)
variable sa_n,sa_p,sb_n,sd_n,sb_p,sc_n,sc_p,sd_p:std_logic;
begin
if clk_64'event and clk_64='1' then
sa_p:=sa_n;sa_n:=sa;
sb_p:=sb_n;sb_n:=sb;
sc_p:=sc_n;sc_n:=sc;
sd_p:=sd_n;sd_n:=sd;
if sa_p= sa_n then hj<=sa;end if;
if sb_p= sb_n then mj<=sb;end if;
if sc_p= sc_n then sclr<=sc;end if;
if sd_p= sd_n then sdo<=sd;end if;
end if;
end process;
end one;
仿真波形如下图8：
图8
6、闹钟时间的设定：
模块图如图9。一键设定闹铃时间，内部由四个d触发器构成。当确定sd键按下时，将当前时间的小时和分的个位十位分别存入四个d触发器内，作为闹时时间。
图9
程序如下
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity df4 is
Port ( sd :in std_logic;
hh,hl,mh,ml : in std_logic_vector(3 downto 0);
hh_o,hl_o,mh_o,ml_o: out std_logic_vector(3 downto 0));
end df4;
architecture one of df4 is
begin
process (sd,hh,hl,mh,ml)
begin
if sd='1' then
hh_o<=hh;hl_o<=hl;mh_o<=mh;ml_o<=ml;end if;
end process;
end one;
仿真波形如下图10：
图10
7、二选一电路
（1）一位二选一：
模块图如图11。用以进行正常计时和校时/分的选择。alarm为经过消抖的校时/分信号。当按键未曾按下时，即校时/分信号没有到来时，二选一选择器会选择输出a（正常计时输入）信号，否则当alarm按键按下时输出y为校时/分输入信号——4Hz。
图11
程序如下：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity xuan21 is
Port ( alarm,a,b: in std_logic;
y:out std_logic);
end xuan21 ;
architecture one of xuan21 is
begin
process(alarm,a,b)
begin
if alarm='0' then y<=a;else y<=b;
end if;
end process;
end one;
仿真波形如下图12：
图12
（2）三位二选一：
模块图如图13。用以进行正常计时时间与闹铃时间显示的选择，alarm输入为按键。当alarm按键未曾按下时二选一选择器会选择输出显示正常的计时结果，否则当alarm按键按下时选择器将选择输出显示闹铃时间显示。
图13
程序如下：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity x213 is
Port ( alarm : in std_logic;
y:out std_logic_vector(3 downto 0);
a,b: in std_logic_vector(3 downto 0));
end x213;
architecture one of x213 is
begin
process(alarm,a,b)
begin
if alarm='0' then y<=a;else y<=b;
end if;
end process;
end one;
仿真结果如下图14：
图14
8、整点报时及闹时：
模块图如图15。在59分51秒、53秒、55秒、57秒给扬声器赋以低音512Hz信号,在59分59秒给扬声器赋以高音1024Hz信号,音响持续1秒钟,在1024Hz音响结束时刻为整点。当系统时间与闹铃时间相同时给扬声器赋以高音1024Hz信号。闹时时间为一分钟。
图15
程序如下：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity voice is
Port ( hou1,huo0,min1,min0,sec1,sec0,hh,hl,mh,ml: std_logic_vector(3 downto 0);
in_1000,in_500:in std_logic;
q : out std_logic);
end voice;
architecture one of voice is
begin
process(min1,min0,sec1,sec0)
begin
if min1="0101" and min0="1001" and sec1="0101" then
if sec0="0001" or sec0="0011" or sec0="0101" or sec0="0111"
then q<=in_500;
elsif sec1="0101" and sec0="1001" then q<=in_1000;
else q<='0';
end if;
else q<='0';
end if;
if min1=mh and min0=ml and hou1=hh and huo0=hl then
q<=in_1000;
end if;
end process;
end one;
仿真波形如下图16
图16
9、顶层原理图：
三、感想
通过这次设计，既复习了以前所学的知识，也进一步加深了对EDA的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的开心。但是在画顶层原理图时，遇到了不少问题，最大的问题就是根本没有把各个模块的VHD文件以及生成的器件都全部放在顶层文件的文件夹内，还有就是程序设计的时候考虑的不够全面，没有联系着各个模式以及实验板的情况来编写程序，以至于多考虑编写了译码电路而浪费了很多时间。在波形仿真时，也遇到了一点困难,想要的结果不能在波形上得到正确的显示
:在分频模块中，设定输入的时钟信号后，却只有二分频的结果，其余三个分频始终没反应。后来，在数十次的调试之后，才发现是因为规定的信号量范围太大且信号的初始值随机，从而不能得到所要的结果。还有的仿真图根本就不出波形，怎么调节都不管用，后来才知道原来是路径不正确，路径中不可以有汉字。真是细节决定成败啊！总的来说，这次设计的数字钟还是比较成功的，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。
四、参考资料：
1、潘松，王国栋，VHDL实用教程〔M〕.成都:电子科技大学出版社，2000.(1)
2、崔建明主编，电工电子EDA仿真技术北京：高等教育出版社，2004
3、李衍编著，EDA技术入门与提高王行西安：西安电子科技大学出版社，2005
4、侯继红,李向东主编，EDA实用技术教程北京：中国电力出版社，2004
5、沈明山编著，EDA技术及可编程器件应用实训北京：科学出版社，2004
6、侯伯亨等，VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计西安: 西安电子科技大学出版社，1997
7、辛春艳编著，VHDL硬件描述语言北京：国防工业出版社，2002
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