如何利用I/O設(shè)備和PLD芯片實現(xiàn)數(shù)字日歷的設(shè)計？

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

1.1.1 設(shè)計任務(wù)

設(shè)計并制作一臺數(shù)字日歷。

1.1.2 性能指標要求

① 用EDA實訓(xùn)儀的I/O設(shè)備和PLD芯片實現(xiàn)數(shù)字日歷的設(shè)計。

② 數(shù)字日歷能夠顯示年、月、日、時、分和秒。

③ 用EDA實訓(xùn)儀上的8只八段數(shù)碼管分兩屏分別顯示年、月、日和時、分、秒，即在一定時間段內(nèi)顯示年、月、日（如20080101），然后在另一時間段內(nèi)顯示時、分、秒（如00123625），兩個時間段能自動倒換。

④ 數(shù)字日歷具有復(fù)位和校準年、月、日、時、分、秒的按鈕，但校年和校時同用一個按鈕，即在顯示年、月、日時用此按鈕校年，在顯示時、分、秒時則用此按鈕校時，依此類推。

1.2 設(shè)計思路及設(shè)計框圖

1.2.1設(shè)計思路

根據(jù)萬年歷的實際特點，本設(shè)計最基礎(chǔ)的部分就是24小時計數(shù)器部分。它由兩片60進制計數(shù)器和一片24進制計數(shù)器構(gòu)成，輸入clk為1Hz（秒）的時鐘，經(jīng)過60分頻后產(chǎn)生1分鐘的時鐘信號，再經(jīng)過60分頻后，產(chǎn)生1小時的時鐘信號，最后進行24分頻，得到1天的脈沖送cout輸出。

當計時器設(shè)計完成后，可以為它產(chǎn)生一個元件符號，作為萬年歷設(shè)計的基本元件。除了基礎(chǔ)的計時器模塊（day），萬年歷電路還包括年月日模塊（nyr2013），控制模塊（contr），校時選擇模塊（mux_4）和顯示選擇模塊（mux_16）。

在基礎(chǔ)計數(shù)器完成的天計數(shù)脈沖完成之后，送入年月日模塊中進入進一步的計數(shù)，最終進一步得到日，月，年的計數(shù)結(jié)果。由于設(shè)計要求8只八段數(shù)碼管分兩屏分別顯示年、月、日和時、分、秒，所以控制模塊便通過控制信號k來控制數(shù)碼管是顯示時、分、秒還是年、月、日，或者自動輪流顯示。

相應(yīng)的顯示選擇模塊也是通過k信號來控制是選擇將計時器模塊的時、分、秒結(jié)果信號，還是將年月日模塊的年、月、日結(jié)果信號送到數(shù)碼管顯示。設(shè)計還要求數(shù)字日歷具有復(fù)位和校準年、月、日、時、分、秒的按鈕，但校年和校時同用一個按鈕，所以應(yīng)運而生有校時選擇模塊，同樣也是在k信號的控制下，對j1、j2、j3這三個公共校時按鈕所產(chǎn)生的校時信號選擇是送到計時器模塊的校時端，還是年月日模塊的校年端，從而實現(xiàn)校時選擇功能。以上就是大體的設(shè)計思路，各個模塊相輔相成，最終滿足設(shè)計要求。

1.2.2總體設(shè)計框圖

2 各個模塊程序的設(shè)計

2.1 控制模塊contr的設(shè)計

控制模塊的元件符號如上圖所示。由于設(shè)計要求8只八段數(shù)碼管分兩屏分別顯示年、月、日和時、分、秒，因此需要通過在控制模塊中通過分頻電路來實現(xiàn)，在此模塊中采用了一個16秒的分頻電路，占空比為50%，即8秒高電平，8秒低電平，因此很容易實現(xiàn)萬年歷年、月、日和時、分、秒的自動切換顯示功能。其中clk是1秒脈沖信號輸入端，k1和k2是控制輸入端：當{k1，k2}=00或11時即進入自動切換顯示模式，當{k1，k2}=01時，數(shù)碼管僅顯示時、分、秒，當{k1，k2}=10時，數(shù)碼管僅顯示年、月、日。{k1，k2}的值決定了控制信號k的輸出。

2.2 校時選擇模塊mux_4v的設(shè)計

校時選擇模塊的元件符號如上圖所示。k是控制信號的輸入端，由控制模塊輸出，控制對j1、j2、j3這三個公共校時按鈕所產(chǎn)生的校時信號選擇是送到計時器模塊的校時端，還是年月日模塊的校年端，其中當k=0時，將j1、j2、j3產(chǎn)生的信號送到計時器模塊的jm（校秒）、jf（校分）、js（校時）端；其中當k=1時，將j1、j2、j3產(chǎn)生的信號送到年月日模塊的jr（校日）、jy（校月）、jn（校年）端，從而校年和校時可以同用一組按鈕。

2.3 年月日模塊nyr2020的設(shè)計

年月日模塊的元件符號如上圖所示。k是控制信號的輸入端，由控制模塊輸出。其中，clrn是異步清除輸入端，低電平有效；clk是時鐘輸入端，上升沿有效；jn、jy、jr分別是校年、校月。校日的輸入端，qn、qy、qr則分別是年、月、日的狀態(tài)輸出端。

2.4 顯示選擇模塊mux_16v的設(shè)計

顯示選擇模塊的元件符號如上圖所示。k是控制信號的輸入端，由控制模塊輸出。因為控制模塊決定了數(shù)碼管有多中不同的顯示模式，所以當k=0時，將計時器模塊輸出的qm、qf、qs的狀態(tài)信號送到數(shù)碼管顯示；而當k=1時，將年月日模塊輸出的qr、qy、qn的狀態(tài)信號送到數(shù)碼管顯示。其中我加入了擴展功能，在數(shù)碼管只顯示時、分、秒的時候，有2個數(shù)碼管并沒有數(shù)值顯示，因此我將其中一個數(shù)碼管選擇顯示A或F，當時間在12點之前是顯示A，代表上午（AM），當時間在12點之后時顯示F，代表下午（FM）。

2.5 計時器模塊jsq的設(shè)計

計時器模塊的元件符號如上圖所示。clk是秒時鐘輸入端；clrn是清除輸入端，低電平有效；jm、jf、js分別是校秒、校分、校時的輸入端，下降沿有效；qm、qf、qs分別是秒、分、時的輸出端；day是“天”脈沖輸出端。計時器模塊是萬年歷電路最基礎(chǔ)的組成部分。它由分頻器、兩片60進制計數(shù)器和一片24進制計數(shù)器構(gòu)成，具體構(gòu)成如下圖：

2.6 LED顯示模塊LED1的設(shè)計(擴展功能的實現(xiàn))

qy和qr和nyr模塊中的輸出相連，LED是輸出，在實驗時用一個LED燈把管腳鎖住鎖住，每到節(jié)日來的脈沖便會使LED燈亮。加入的擴展功能，能讓萬年歷在節(jié)日的時候能亮一盞LED燈，比如在元旦節(jié)、情人節(jié)一些比較重要的節(jié)日，起到提醒的作用，也可以從而使萬年歷的顯示內(nèi)容更為完整。

3 調(diào)試過程

把寫好的程序經(jīng)驗證仿真確認無誤并且鎖定好管腳后經(jīng)下載端口下載到EDA實訓(xùn)儀上，通過實際操作來驗證是否能實現(xiàn)相應(yīng)功能。

4 功能測試

4.1 測試儀器與設(shè)備

① EDA實訓(xùn)儀 1臺

② 電腦 1臺

4.2 性能指標測試

① 數(shù)字日歷能夠正確顯示年、月、日、時、分和秒。

② EDA實訓(xùn)儀上的8只八段數(shù)碼管能夠分兩屏分別顯示年、月、日和時、分、秒。

③ EDA實訓(xùn)儀上的8只八段數(shù)碼管能夠自動切換顯示年、月、日和時、分、秒。

④ 數(shù)字日歷具有復(fù)位和校準年、月、日、時、分、秒的按鈕，且校年和校時同用一個按鈕就能實現(xiàn)。

4.3 誤差分析

由于在程序編寫的過程中經(jīng)過了反復(fù)的思考和檢查，因此在下載到硬件電路后，所有基礎(chǔ)功能都達到了設(shè)計要求，并且自己的擴展功能也成功的實現(xiàn)。

部分程序清單

1、計算器模塊（jsq）

（1）分頻器

module fenpin(clk,cout);

input clk;

output reg cout;

reg[24:0]qq;

always @(posedge clk)

begin

if(qq==19999999) begin qq=0;cout=1;end

else begin qq=qq+1;cout=0;end

end

endmodule

（2）cnt60

module cnt60(clk,clrn,j,q,cout);

input clrn,clk,j;

output reg[7:0]q;

output reg cout;

always @(posedge clk^j or negedge clrn)

begin

if(~clrn) q=0;

else begin

if(q=='h59) q=0;

else q=q+1;

if(q[3:0]=='ha) begin q[3:0]=0; q[7:4]=q[7:4]+1;end

if(q=='h59) cout=1;

else cout=0;

end

end

endmodule