基于fpga与vhdl电子秒表设计

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1、基于FPGA与VHDL电子秒表设计　　摘要本文利用Spartan3AandSpartan3AN系列的XC3S200AFT256的FPGA作为开发硬件，ISE软件和ModelSim软件作为开发软件，设计制作了一款计数长度为一小时，计数精度为0.01秒，六位数码管显示的电子跑表。具有开始/停止，复位清零功能，并且加入了扩展要求的多次暂停计数功能和消抖判断。具有精度高，操作简单的特点。关键词FPGA；VHDL；ISE；ModelSim；电子跑表中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）14-0025-015随着集

2、成电路（IC）技术的发展，电子设计自动化（EDA）逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。而电子设计自动化（EDA）的实现是与CPLD/FPGA技术的迅速发展息息相关的，利用PLD/FPGA，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现了系统的集成。此外，CPLD/FPGA还具有静态可重复编程或在线动态重构特性，使硬件的功能可像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。20世纪80年代后期由美国国防部开发的VHDL语言恰好满足了上述这样的要求

3、，并在1987年12月由IEEE标准化。它的出现为电子设计自动化（EDA）的普及和推广奠定了坚实的基础。由此，使用VHDL语言来设计数字系统是电子设计技术的大势所趋。1系统电路设计系统由石英震荡器、分频部分、计数部分、显示部分、开始/停止使能和清零部分构成。分频器将晶振所提供的48MHz信号分频成100Hz时钟信号作为最低位计数器的计时信号，将六个计数器异步级联得到跑表时间数据，再经过数据选择器和显示译码器，以动态显示模式将显示译码器的段选信号分位输出给六个8段LED数码管显示，开始/停止使能可实现暂停/继续计时操作，清零部分完成系统的时间

4、清零，为下次计时做准备。系统电路总体模块图如下。2各模块设计2.1分频器的设计实验板提供了48MHz的震荡信号，要求输出频率分别为1000Hz和100Hz。分频器的实现原理是基于计数器的方法设计的，通过对若干个震荡信号的计数来实现输出信号的翻转，故而实现了分频。要得到100Hz和1Kz的方波，需要对48MHz的晶振信号进行分频。要得到1005Hz的方波，需要480000分频，要实现480000分频，则输入源时钟信号clk每过480000/2即240000个上升沿，则对输出信号out100hz取反。同理，每经过24000个源时钟上升沿，对ou

5、t1khz取反，得到1KHz的信号。2.2计数器的设计根据实验要求知，计数器由六个单极计数器级联实现，其中4个十进制计数器、2个六进制计数器。本实验方案采用同步级联实现。本设计使用的是异步清零和同步使能，即当清零有效时，计数器立即清零，而当使能有效时，只有当时钟上升沿到来时，才进行暂停或开始计数的功能。使能输入即进位输入。首先先判断清零是否有效，当有效时，执行清零操作，count值为0。当清零无效时，并且使能有效是，进行计数。计数输出为四位二进制数countout。最后判断当计数值满并且使能有效时，进位输出有效。六进制计数器原理与十进制计数

6、器类似。只是count_tmp值最大为“0101”。2.3使能控制的设计使能控制是为了产生使能控制信号，在该控制信号作用下使输出发生翻转。使能输入（enable_in）每来一个上升沿，使能输出（enable_out）电平变化一次。即实现了每按一次按键，计数器在停止和开始计数之间切换。2.4显示控制的设计显示控制模块应包含一个六进制计数器、六选一数据选择器和七段译码器。六进制计数器的时钟信号频率为15kHz，计数输出作为位选控制信号sel（2：0）。数据选择器的地址控制信号为计数输出，数据选择器的数据端为要显示的六位数据mh（3：0），ml（

7、3：0），sh（3：0），sl（3：0），ds（3：0），cs（3：0）。根据地址控制信号选择其中一路输出至译码器，译码器的输出作为段选控制信号led（6：0）。根据硬件电路，需设置一个译码使能信号G，G为低电平有效。该模块里融合了一个六进制计数器，六选一数据选择器。通过分频器输出的1khz的时钟，控制六进制计数器计数（sel），使三位输出作为三八译码器的输入，从而控制8位数码管的位选以1khz进行扫描。又作为六选一数据选择器的地址选择输入，从而控制是哪一个数据作为六选一数据选择器的输出。这个输出经七段译码器后（led）作为数码管的段选。G

8、端口为三八译码器的使能输出。2.5消抖模块的设计消抖模块应能排除在按键按下电平不能稳定变化，出现纹波的情况下，对按键电平的识别。设计的思路是，当按键按下时，设计一个延时语句，当一