基于FPGA的数字秒表的设计

　　应用VHDL语言设计数字系统，很多设计工作可以在计算机上完成，从而缩短了系统的开发时间，提高了工作效率。本文介绍一种以FPGA为核心，以VHDL为开发工具的数字秒表，并给出源程序和仿真结果。
　　1 系统设计方案
　　1.1 系统总体框图
　　数字秒表主要有分频器、计数模块、功能控制模块、势能控制模块和显示输出模块组成。系统框图如图1所示。

　　本次的设计仿真选用以EP1C6Q240芯片为核心的FPGA开发板，该开发板提供了较完善的外围周边电路和信号接口，并提供了一块4位7段数码管的扩展板，为本次设计提供了硬件条件。在设计中，功能控制模块根据控制选择不同的功能状态的时间输出，通过势能控制模块和显示输出模块驱动7段数码管显示相应的时间。
　　1.2 系统功能要求
　　(1)具有时钟秒表系统功能要求显示功能，用4个数码管分别显示秒和百分秒;
　　(2)具有3种功能状态：系统时间运行状态，系统时间至零状态，时钟正常显示状态，通过输入控制信号可以使系统在这3个状态之间切换，使数码管显示相应状态的时间;
　　(3)开启时间设定、关闭时间设定可通过控制信号中的时间调节来设置，在秒设置方面每按一下，秒就会自动加1，采用60进制计数，当计数到59时又会恢复为00;百分秒设置方面每按一下，百分秒会自动加1，采用100进制计数，当计数到99时，向上进位并恢复00。系统时间可以同单独的至零信号，将数码管显示时间直接恢复到00.00状态。
　　2 模块功能设计及仿真
　　2.1 分频模块
　　开发板提供的系统时钟为50 MHz，通过分频模块3次分频，将系统的时钟信号分为100 Hz和1 000 Hz分别提供给计数模块和势能控制模块作为时钟控制信号。该模块部分VHDL源程序如下：

　　2.2 计数模块
　　计数模块中，时钟信号是100 Hz作为秒表的百分秒输入，百分秒为100进制计数器，其进位输出作为秒的计数时钟，秒为60进制计数器。控制信号输入端的begin-stop和reset信号控制计数器的开始、停止和至零。该模块部分VHDL源程序如下，方针结果如图2所示：

　　2.3 势能控制模块
　　本次设计选用的开发板数码管扩展板的数码显示采用的是4个数码管动态扫描输出，一般只要每个扫描频率超过人的眼睛视觉暂留频率24 Hz以上就可以达到点亮单个显示而不闪烁，扫描频率采用1 kHz信号。通过势能控制，每个数码管的显示频率为250 Hz，满足显示要求。该模块部分VHDL源程序如下：

　　2.4 显示控制模块
　　本次设计选用的开发板在4位数码管输入方面只提供1个数据接口，用来动态显示4位数据，在数据输入信号方面要做到和势能控制信号同频率输出，才能保证数码显示不会出错或显示移位。该模块部分VHDL源程序如下：

　　同时通过控制信号示系统处在不同的功能状态：系统时间运行状态，系统时间至零状态，时钟正常显示状态。利用功能转换信号实现3个功能状态之间的转换，并产生相应的控制信号去控制显示输出模块不同状态的正确显示。其部分源程序如下：

　　3 系统部分功能仿真
　　各部分模块完成后，用QuartusⅡ对程序编译、仿真、得到的仿真波形如图3所示。

　　本系统采用的FPGA芯片为Altera公司的EP1C6Q240，用VHDL和QuartusⅡ软件工具开发，设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、延时仿真生成配置文件，最后下载至FPGA器件，完成结果功能配置，实现其硬件功能。
　　4 结 语
　　该系统运用先进的EDA软件和VHDL，采用模块法自顶向下的设计原则，并借助FPGA实现数字秒表的设计，充分体现了现代数字电路设计系统芯片化，芯片化设计的思想突破了传统电子系统的设计模式，使系统开发速度快、成本低、系统性能大幅度地提升。