摘要： 文中介紹了一種基于FPGA的數(shù)字秒表設(shè)計方法。采用VHDL硬件描述語言， 運(yùn)用ModelSim等EDA仿真工具。該設(shè)計具有外圍電路少、集成度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點。最后經(jīng)實驗驗證， 該數(shù)字秒表計時準(zhǔn)確， 輸入信號能準(zhǔn)確控制秒表運(yùn)行。系統(tǒng)所采用的自上而下的模塊化設(shè)計方法， 對于其他復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計也有很強(qiáng)的借鑒意義。

數(shù)字集成電路作為當(dāng)今信息時代的基石， 不僅在信息處理、工業(yè)控制等生產(chǎn)領(lǐng)域得到普及應(yīng)用， 并且在人們的日常生活中也是隨處可見， 極大的改變了人們的生活方式。面對如此巨大的市場， 要求數(shù)字集成電路的設(shè)計周期盡可能短、實驗成本盡可能低， 最好能在實驗室直接驗證設(shè)計的準(zhǔn)確性和可行性， 因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA。對于芯片設(shè)計而言， FPGA的易用性不僅使得設(shè)計更加簡單、快捷， 并且節(jié)省了反復(fù)流片驗證的巨額成本。對于某些小批量應(yīng)用的場合， 甚至可以直接利用FPGA實現(xiàn)， 無需再去訂制專門的數(shù)字芯片。

文中著重介紹了一種基于FPGA利用VHDL硬件描述語言的數(shù)字秒表設(shè)計方法， 在設(shè)計過程中使用基于VHDL的EDA工具ModelSim對各個模塊仿真驗證， 并給出了完整的源程序和仿真結(jié)果。

1 總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

一個完整的數(shù)字秒表應(yīng)具有計時、相應(yīng)的控制以及計時結(jié)果顯示功能， 總體的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。黑色線框內(nèi)是計數(shù)模塊、使能轉(zhuǎn)化模塊和顯示譯碼模塊， 左邊是輸入控制信號， 右邊是顯
示計時結(jié)果的數(shù)碼顯示管， 用六位BCD七段數(shù)碼管顯示讀數(shù)， 顯示格式如圖2， 計時范圍為： 1小時，精度為0.01s。

輸入時鐘信號由32MHz的石英晶振提供， 考慮到設(shè)計指標(biāo)要求秒表精度為0.01秒， 計數(shù)脈沖的時
鐘輸入就應(yīng)該是頻率為100Hz的脈沖， 所以先要設(shè)計一個320000分頻器， 分頻器的輸出可作計數(shù)器的輸入； 其次計數(shù)模塊設(shè)計應(yīng)綜合考慮秒表的計時范圍(1小時) 和顯示輸出(6位輸出)， 6位輸出中有兩位是六進(jìn)制輸出， 其余四位是十進(jìn)制輸出，所以可通過設(shè)計4個模10計數(shù)器和2個模6計數(shù)器來實現(xiàn)， 其中較低位的進(jìn)位輸出就是高位的計數(shù)輸入端。

控制模塊應(yīng)包括開始計時/停止計時、復(fù)位兩個按鈕， 即電路設(shè)計經(jīng)常用到的使能端和清零端，這兩個控制端口直接接到計數(shù)器的清零和史能端即可實現(xiàn)復(fù)位、開始計時/停止計時； 但是外圍使能輸入需要經(jīng)過使能轉(zhuǎn)換電路后， 才可變?yōu)橛嫈?shù)器可用的使能控制信號。因此在輸入使能信號和計數(shù)器使能輸入之間需設(shè)計一個信號轉(zhuǎn)換模塊。

顯示計數(shù)結(jié)果的模塊實現(xiàn)較為簡單， 只需將六位計數(shù)結(jié)果通過七段譯碼電路接到輸出即可點亮數(shù)碼管， 無需時序控制， 直接用組合邏輯電路就可以實現(xiàn)。數(shù)碼管顯示可以采用掃描顯示， 用一個頻率1KHz的信號掃描一個多路選擇器， 實現(xiàn)對六位已經(jīng)鎖存的計數(shù)結(jié)果的掃描輸出。

2 各功能模塊設(shè)計

2.1 分頻器模塊
分頻器的功能是提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘控制信號以精確控制計數(shù)器的開閉， 提供的標(biāo)準(zhǔn)信號是32MHz，根據(jù)設(shè)計精度0.01s的要求， 輸出信號是100Hz， 所以該分頻器實現(xiàn)的功能是320000 分頻， 具體的
VHDL源程序：
process (clk)
begin
if (clk'event and clk='1') then
if (q=159999) then
q<=0;
count_temp<=not count_temp;
else
q<=q+1;
end if;
end if;
end process;

2.2 計數(shù)模塊
該計數(shù)器要實現(xiàn)最大計數(shù)值為59分59秒99的計數(shù)， 而且為了數(shù)碼管顯示方便， 該模塊必須通過計數(shù)器的級聯(lián)來實現(xiàn)， 即首先分別設(shè)計一個模6計數(shù)器和一個模10計數(shù)器， 然后將他們級聯(lián)， 其中調(diào)用4次模10計數(shù)器、2次模6計數(shù)器， 這樣可以比直接設(shè)計模100 的計數(shù)器和模60的計數(shù)器節(jié)省資源。級聯(lián)時低位的計數(shù)進(jìn)位輸出接高位的計數(shù)輸入端， 如圖3所示。再考慮到控制模塊的要求， 每個計數(shù)器有三個輸入端： 時鐘、使能和清零， 兩個輸出端： 計數(shù)輸出和進(jìn)位輸出， 采用同步使能異步清零的設(shè)計方法， 每個計數(shù)器的使能和清零端都與外圍的使能和清零端相聯(lián)。

該模塊的源程序以及ModelSim仿真輸出結(jié)果如下：

模6計數(shù)器的VHDL源程序如下：
process (clear,clk)
begin
if (clear='1') then
tmp<=" 0000" ;
carryout<='0';
elsif (clk'event and clk='1') then
if (rst='0') then
if (tmp=" 0101") then
carryout<='1';
tmp<=" 0000" ;
else
tmp<=tmp+1;
carryout<='0';
end if;
end if;
end if;

模10計數(shù)器的VHDL源程序與模6計數(shù)器類似，為節(jié)省篇幅， 不再給出。