基于FPGA的多功能数字钟设计

前言

本工程主要是数码管、按键、LED的应用开发。

注：本工程所有IP均使用源码开发。

基础知识

按键

按键作为基本的人机输入接口，在很多电子设计中都能见到。由于机械特性，在按键按下或松开的时候，按键输入值是有抖动的，无论按下去是多平稳，都难以消除抖动。

本设计通过 FPGA 计时来消抖。当按键输入有变化时，计时器清零，否则就累加，直到加到一个预定值（例如10ms），就认为按键稳定，输出按键值，这样就得到一个没有抖动的按键值。

由于在很多地方需要用到按键下降沿或上升沿的检测，所以按键模块也集成了上升沿和下降沿检测的功能。

数码管

分为共阳极数码管和共阴极数码管。

• 共阳极数码管：将8个LED的正极连接在一起接入高电平，将需要点亮的LED的引脚给低电平即可

• 共阴极数码管：将8个LED的负极连接在一起接入低电平，将需要点亮的LED的引脚给高电平即可

通过给 a,b,c,d,e,f,g,dp 各个脚加上不同的控制电压可以使不同的 LED 灯导通、发光，从而显示 0~9 各个数字和 A,B,C,D,E,F 各个字母，因此数码管可以用来显示二进制数、十进制数、十六进制数，如下图所示：

系统概述

系统框图如下图所示：

系统在 Xilinx XC7A35T-2FGG484I FPGA 上开发，使用共阳极数码管进行显示。多功能数字钟功能如下：

1. 时钟功能
   • 显示时、分、秒，默认12:00:00
   • 可通过按键更改时间
   • 整点报时：整点报时音为缓慢的 “滴滴滴” 音，响声延续5s
2. 闹钟功能
   • 可设定闹钟的时、分、秒
   • 闹钟提醒：闹铃音为急促的 “滴滴滴” 音，响声延续5s
   • 按键开启/禁用闹钟功能，并通过 LED 显示闹钟功能开启（LED亮）或禁用（LED灭）状态
3. 秒表功能
   • 可实现一小时以内精确至百分之一秒的计时
   • 复位功能
   • 暂停功能
4. 计时器功能
   • 可设定计时器的时、分、秒
   • 暂停、重新计时功能
   • 计时提醒：计时到0时，产生连续5s的 “滴滴滴”音

按键使用说明

button1

• 显示模式下：短按切换功能显示，长按进入编辑模式
• 编辑模式下：短按切换编辑项

button2

• 显示模式下：

  • 闹钟显示下，短按开启/禁用闹钟功能
  • 计时器显示下，短按开始/暂停计时
  • 秒表显示下，短按开始/暂停计时

• 编辑模式下：短按每次加1

button3

• 显示模式下：

  • 秒表显示下，短按复位

• 编辑模式下：短按每次加10

button4

• 显示模式下：无操作
• 编辑模式下：短按确认修改并退出编辑模式

模块描述

• button_debounce：按键消抖模块, 支持消抖时间配置、支持按键上升沿和下降沿检测；

• button_controller：按键控制模块, 生成短按/长按指示信号；

• clock_controller：多功能时钟控制模块, 支持时钟、闹钟、秒表、计时器的功能.；

• digital_tube：数码管驱动模块，支持刷新频率配置、支持共阴极/共阳极数码管类型选择、数码管个数配置。

模块设计

button_debounce

button_controller

clock_controller

digital_tube

整体资源用量

测试视频