基于Quartus II的計時電路設(shè)計

熊瑜

摘 要 Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設(shè)計環(huán)境， 由于其強(qiáng)大的設(shè)計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計者的歡迎。文章以一個計時電路為例，利用VHDL硬件編程語言和原理圖結(jié)合，實現(xiàn)計時、校準(zhǔn)、整點(diǎn)提示等功能，最后連接數(shù)字電路實驗箱進(jìn)行驗證。

關(guān)鍵詞 Quartus II 計時 校準(zhǔn) 分頻

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

本文利用Quartus II 9.0實現(xiàn)由四個數(shù)碼管顯示的計時電路，以低兩位按照 20 進(jìn)制設(shè)計，高兩位為任意進(jìn)制設(shè)計為例，并按 1Hz 頻率校準(zhǔn)高兩位的顯示，按 10Hz頻率校準(zhǔn)低兩位的顯示，在計數(shù)到達(dá)某整點(diǎn)值時（例如 0300 的時刻），4盞 LED 燈一起按照 10Hz 閃爍 5 秒鐘。

1電路設(shè)計

整體電路的程序包含4大部分：計數(shù)器（高低位兩段）、七段譯碼器、分頻器、整點(diǎn)閃爍。各電路模塊擬通過硬件語言實現(xiàn)，生成原理圖，再根據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行頂層電路的連接，至此其基本電路的設(shè)計情況完成?，F(xiàn)將各模塊實現(xiàn)方法呈現(xiàn)如下。

1.1計數(shù)器的設(shè)計

1.1.1低兩位計數(shù)器的設(shè)計

低兩位固定為二十進(jìn)制，可用五位二進(jìn)制編碼其計數(shù)狀態(tài)，程序如下：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；

ENTITY shiyansi IS

PORT （ clk1，RST1 ： IN STD_LOGIC；

DOUT1 ： OUT STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

COUT ： OUT STD_LOGIC）；

END shiyansi；

ARCHITECTURE fwm OF shiyansi IS

SIGNAL Q1 ： STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

BEGIN

PROCESS（clk1，RST1）

BEGIN

IF RST1 = 0 THEN Q1<=（OTHERS => 0）； COUT <= 0；

ELSIF clk1EVENT AND clk1=1 THEN

Q1<=Q1+1；

COUT<= 0；

IF Q1 >= "10100" THEN Q1<=（OTHERS => 0）； COUT<= 1；

END IF；

END IF；

END PROCESS；

DOUT1<=Q1 ；

END fwm；

clk1為低位時鐘輸入，COUT為進(jìn)位信號輸出，DOUT1為五位計數(shù)信號輸出。

1.1.2高兩位計數(shù)器的設(shè)計

高兩位要求為任意進(jìn)制，用五位開關(guān)模擬五位二進(jìn)制來編碼32進(jìn)制以內(nèi)的可調(diào)進(jìn)制，程序如下：

LIRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；

ENTITY shi41 IS

PORT （ clk2，RST2 ： IN STD_LOGIC；

M ： IN STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

COUT ： IN STD_LOGIC；

DOUT2 ： OUT STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0） ）；

END shi41；

ARCHITECTURE fwm OF shi41 IS

SIGNAL Q2 ： STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

SIGNAL m1 ： STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

BEGIN

PROCESS（clk2，RST2）

BEGIN

m1<=M-1；

IF RST2 = 0 THEN Q2<=（OTHERS => 0）；

ELSIF clk2EVENT AND clk2=1 THEN

Q2<=Q2+1；

IF Q2 >= m1 THEN Q2<=（OTHERS => 0）；

END IF；

END IF；

END PROCESS；

DOUT2<=Q2 ；

END fwm；

clk2為高位時鐘輸入，COUT為進(jìn)位信號輸出，DOUT2為五位計數(shù)信號輸出。M為進(jìn)制控制開關(guān)輸入信號。

1.2七段譯碼器的設(shè)計

實現(xiàn)高低兩位的譯碼，程序簡單但較為冗雜，在此不列出。

data_in1、data_in2分別為低位和高位計數(shù)輸入，dis_out1、dis_out2分別為14段低位和高位譯碼信號輸出。

1.3分頻器的設(shè)計

實驗箱內(nèi)晶振時鐘頻率為100MHz，進(jìn)行分頻分別得到10Hz 和1Hz的頻率，較簡單在此不再列出。

clk_out1為10Hz輸出，clk_out2為1Hz輸出。

1.4整點(diǎn)閃爍的設(shè)計

整點(diǎn)時刻低兩位全部為零，高兩位為任意指定的數(shù)。在這種情況下，LED燈要閃爍5S。因為低兩位計數(shù)1S跳一次，所以可以用低兩位的前5S實現(xiàn)定時。閃爍用10Hz的時鐘頻率來實現(xiàn)。其程序如下：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL；

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；

ENTITY shi44 IS

PORT （ clk ： IN STD_LOGIC；

X ： IN STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

DOUT2 ： IN STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

DOUT1 ： IN STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

LIGHT ： OUT STD_LOGIC_VECTOR （3 DOWNTO 0） ）；

END shi44；

ARCHITECTURE fwm OF shi44 IS

SIGNAL A： STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

SIGNAL B： STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

SIGNAL C： STD_LOGIC_VECTOR （4 DOWNTO 0）；

BEGIN

PROCESS（clk）

BEGIN

A<=X；

B<=DOUT2；

C<=DOUT1；

IF （（A=B AND （C="00000" OR C="00001" OR C="00010" OR C="00011" OR C="00100"））） THEN

LIGHT<=（OTHERS => clk）；

ELSE

LIGHT<="0000"；

END IF；

END PROCESS；

END fwm；

clk連接10Hz時鐘信號，DOUT1、DOUT2分別為低位和高位計數(shù)輸入，X為5位整點(diǎn)設(shè)置輸入。

1.5頂層電路的連接

按照各部分的邏輯關(guān)系將以上原理圖連接起來并引出輸入與輸出，如圖1所示。其中，A為低位控制校準(zhǔn)信號，B為高位控制校準(zhǔn)信號。

2驗證

將電腦與數(shù)字電路實驗箱相連接，按照實驗箱鎖定各個引腳，實現(xiàn)輸入控制與輸出顯示，并將其下載到開發(fā)板上。驗證所設(shè)計的電路，符合要求。

參考文獻(xiàn)

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[3] 李聰錕.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，2014.

[4] 鄭亞民，許敏.基于QuartusⅡ的帶計時器功能的秒表系統(tǒng)設(shè)計[J].電子工程師，2005， 31（1）：59-61.