FPGA多功能电子表——东南大学暑期学校大作业

最新推荐文章于 2025-12-28 08:12:11 发布
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#fpga开发 #课程设计

东南大学FPGA大作业——多功能电子表

一.简介

  1. 基本要求：
    pV4LwcQ.png
  2. 完成情况
    用四个按键通过短按长按组合实现全部功能。
  3. 使用方法
    打开sources_1/new文件夹，导入所有.v文件，随后可根据需要导入sim_1文件夹中的.tb仿真文件。

二.实现思路

  1. 基本数码管显示
    这个网上应该有很多教程，总之就是利用视觉暂留进行循环点亮。为了方便我使用六个计数器cnt来分别表示时分秒/年月日的个位十位，这样不需要转换进制其中年份我只修改后两位，这样时钟和日历正好都可以用6个计数器。

  2. 计时功能

    这里只展示1s计时器和秒钟的计时功能以及按键切换，分钟时钟效果类似，时钟只需要在数值达到24后清零即可

    //1秒计时器
if(cnt_s==MCNT_S)
    cnt_s<=0;
else 
    cnt_s<=cnt_s+1'b1;

    //秒表个位计数   
//按键加1 
if(cnt_inc[0]==1)
    if(cnt_0==9)begin
        cnt_0<=0;
        cnt_inc[1]<=1;
    end
    else 
        cnt_0<=cnt_0+1'b1;
//按键减1 
else if (cnt_dec[0]==1)
    if(cnt_0==0)begin
        cnt_0=9;
        cnt_dec[1]<=1;
    end
    else 
        cnt_0<=cnt_0-1'b1;
else if (cnt_inc[1]==1)
    cnt_inc[1]<=0;
else if (cnt_dec[1]==1)
    cnt_dec[1]<=0; //清空进位状态，防止多次进位
//自动加1     
else if(cnt_s==MCNT_S)
    if(cnt_0==9)
        cnt_0<=0;
    else
        cnt_0<=cnt_0+1'b1;
//秒表十位计数    
if(cnt_inc[1]==1)
    if(cnt_1==5)
        cnt_1<=0;
    else
        cnt_1<=cnt_1+1'b1;
//按键加1
else if (cnt_dec[1]==1)
    if(cnt_1==0)
        cnt_1<=5;
    else 
        cnt_1<=cnt_1-1'b1;
//按键减1
else if((cnt_0==9)&&(cnt_s==MCNT_S))begin
    if(cnt_1==5)
        cnt_1<=0;
    else
        cnt_1<=cnt_1+1'b1;
end   
//自动加1

  3. 日期及其切换
    本质上与时钟原理类似，只不过不需要接收来自1s计时器的进位信号，只需要接收时钟计满24小时的一个脉冲信号进行进位即可（其实我个人感觉不加也行，验收时可能也不咋看）同样仅展示日期计数器 cnt_inc &cnt_dec为其他模块（如状态机按键）发出的一个周期的加减脉冲信号

    if (cnt_inc[0]==1)
            if(day_full==1) begin
                cnt_0<=1;
                cnt_1<=0;
            end
            else if(cnt_0==9) begin
                cnt_0<=0;
                cnt_1<=cnt_1+1;
            end
            else
                cnt_0<=cnt_0+1;
        else if (cnt_dec[0]==1)
            if(cnt_0==1&&cnt_1==0) begin
                if(month_b==1)begin
                    cnt_0<=1;
                    cnt_1<=3;
                end
                else if(month_b==0&&cnt_2==2) begin
                    if(leap_year==1) begin
                        cnt_0<=9;
                        cnt_1<=2;
                    end
                    else if(leap_year==0) begin
                        cnt_0<=8;
                        cnt_1<=2;
                    end
                end
                else begin
                    cnt_0<=0;
                    cnt_1<=3;
                end
            end
            else if(cnt_0==0) begin
                cnt_0<=9;
                cnt_1<=cnt_1-1;
            end
            else
                cnt_0<=cnt_0-1;
        //日计数器

    当时钟计满24小时后会发出一个周期的脉冲信号，使日期更新

    if(full_flag==1) begin
            if(day_full==1)begin
                cnt_0<=1;
                cnt_1<=0;
                if(month_full==1)begin
                    cnt_2<=1;
                    cnt_3<=0;
                    if(year_full==1) begin
                        cnt_4<=0;
                        cnt_5<=0;
                    end
                    else if((cnt_4==9))begin
                        cnt_4<=0;
                        cnt_5<=cnt_5+1;
                    end
                    else
                        cnt_4<=cnt_4+1;
                end
                else if((cnt_2==9))begin
                    cnt_2<=0;
                    cnt_3<=cnt_3+1;
                end
                else
                    cnt_2<=cnt_2+1;
            end
            else if(cnt_0==9) begin
                cnt_0<=0;
                cnt_1<=cnt_1+1;
            end
            else
                cnt_0<=cnt_0+1;
        end

    关于闰年和大小月，这里我是用判断是否为4的倍数决定闰年平年，大小月则是枚举

    always @(*) begin
    if(cnt_3==0)
        case(cnt_2)
            1,3,5,7,8:month_b=1; //大月
            default:month_b=0; //小月
        endcase
    else if(cnt_3==1)
        case(cnt_2)
            0,2:month_b=1; //大月
            default:month_b=0; //小月
        endcase
end

always @(*) begin
    if((cnt_4+cnt_5*10)%4==0)
        leap_year=1; //闰年
    else
        leap_year=0; //平年
end

  4. 闹钟功能
    闹钟的基本原理和时钟类似，只不过不需要再接收来自1s计数器的信号，按键3长按可以确认设置闹钟

    else if(key_state==3)begin//长按设置闹钟
                if(alarm_set[0]==0)begin
                    alarm_set[0]<=1;
                    Data_alarm_s1<=Data_alarm;
                end
                else if(alarm_set[1]==0)begin
                    alarm_set[1]<=1;
                    Data_alarm_s2<=Data_alarm;
                end
                else if(alarm_set[2]==0)begin
                    alarm_set[2]<=1;
                    Data_alarm_s3<=Data_alarm;
                end
                else begin
                    Data_alarm_s1<=32'hffff_ffff;
                    Data_alarm_s2<=32'hffff_ffff;
                    Data_alarm_s3<=32'hffff_ffff;
                    alarm_set<=0;
                end    
            end

    设置好闹钟后会暂存到一个reg中，当当前时间等于此值时led闪烁

    //闹钟响铃控制
assign Data_clock={cnt_0,cnt_1,Point,cnt_2,cnt_3,Point,cnt_4,cnt_5};
always@(posedge Clk or negedge Reset_n)begin
    if(!Reset_n)begin
        LED[3]<=0;
        alarm_state<=0;
    end
    else if(state1==COUNTER_D_START&&state2==2)//倒计时结束闪烁
        if(cnt_flash<MCNT_F/2)
            LED[3]<=1;
        else
            LED[3]<=0;
    else
        case(alarm_state)
            0:begin
                LED[3]<=0;
                cnt_alarm_time<=0;
                if(Data_clock==Data_alarm_s1||Data_clock==Data_alarm_s2||Data_clock==Data_alarm_s3)
                    alarm_state<=1;
            end
            1:begin
                cnt_alarm_time<=cnt_alarm_time+1'b1;
                if(Key_P_flag[2]==1)
                    alarm_state<=0;
                else if(cnt_alarm_time==MCNT_5S)begin
                    alarm_state<=2;
                    cnt_alarm_time<=0;
                end
                if(cnt_flash<MCNT_F/2)
                    LED[3]<=1;
                else
                    LED[3]<=0;
            end
            2:begin
                cnt_alarm_time<=cnt_alarm_time+1'b1;
                if(Key_P_flag[2]==1)
                    alarm_state<=0;
                else if(cnt_alarm_time==MCNT_10S)begin
                    alarm_state<=3;
                    cnt_alarm_time<=0;
                end
                LED[3]<=0;
            end
            3:begin
                cnt_alarm_time<=cnt_alarm_time+1'b1;
                if(Key_P_flag[2]==1)
                    alarm_state<=0;
                else if(cnt_alarm_time==MCNT_5S)begin
                    alarm_state<=0;
                    cnt_alarm_time<=0;
                end
                if(cnt_flash<MCNT_F/2)
                    LED[3]<=1;
                else
                    LED[3]<=0;
            end
            default:
                alarm_state<=0;
        endcase
end

  5. 倒计时功能
    设计倒计时的原理和设置时钟类似，同样也是长按按键3开始倒计时，开始后短按按键3可以暂停/重新开始，暂停时长按按键3倒计时返回初始值，同样利用状态机实现。

    COUNTER_D_SET:begin
             reset_flag<=0;
             if(Key_P_flag[3]==1)
                 state1<=CLOCK;
             else if(key_state==3)begin//长按开始倒计时
                 state1<=COUNTER_D_START;
                 start_flag<=1;
                 state2<=0;
             end
             else
                 case(state2)
                     0:
                         if(key_state==2)//短按切换倒计时位数
                             state2<=1;
                         else if(Key_P_flag[1]==1)
                             cnt_inc_d[0]<=1;
                         else if(Key_P_flag[0]==1)
                             cnt_dec_d[0]<=1;
                     1:
                         if(key_state==2)
                             state2<=2;
                         else if(Key_P_flag[1]==1)
                             cnt_inc_d[1]<=1;
                         else if(Key_P_flag[0]==1)
                             cnt_dec_d[1]<=1;
                     2:
                         if(key_state==2)
                             state2<=0;
                         else if(Key_P_flag[1]==1)
                             cnt_inc_d[2]<=1;
                         else if(Key_P_flag[0]==1)   
                             cnt_dec_d[2]<=1;
                     default:
                         state2<=0;
                 endcase
         end
         COUNTER_D_START:begin
             start_flag<=0;
             case(state2)
                 0:begin//倒计时开始
                     
                     if(key_state==2)begin
                         state2<=1;
                         cnt_down<=0;
                     end
                     else if(Key_P_flag[3]==1)begin
                         state1<=CLOCK;
                         state2<=0;
                         cnt_down<=0;
                     end
                     
                     else if(Data_counter_down=={4'h0,4'h0,4'hA,4'h0,4'h0,4'hA,4'h0,4'h0})begin
                         count_d<=0;
                         cnt_down<=0;
                         state2<=2;
                     end
                     else if(cnt_down==MCNT_S)begin
                         cnt_down<=0;
                         count_d<=1;
                     end
                     else begin
                         count_d<=0;
                         cnt_down<=cnt_down+1'b1;
                     end
                 end
                 1:begin//倒计时暂停
                     count_d<=0;
                     if(key_state==2)
                         state2<=0;
                     else if(key_state==3)begin//长按复位
                         reset_flag<=1;
                         cnt_down<=0;
                         state2<=0;
                         state1<=COUNTER_D_SET;
                     end
                     else if(Key_P_flag[3]==1)begin
                         state1<=CLOCK;
                         state2<=0;
                         cnt_down<=0;
                     end
                 end
                 2:begin//倒计时结束闪烁
                     cnt_counter_down_flash<=cnt_counter_down_flash+1'b1;
                     if(cnt_counter_down_flash==MCNT_5S)begin
                         cnt_counter_down_flash<=0;
                         state2<=0;
                         state1<=CLOCK;
                     end
                     if(Key_P_flag[3]==1)begin
                         state1<=CLOCK;
                         state2<=0;
                         cnt_counter_down_flash<=0;
                     end

                 end

                 default:begin
                     state2<=0;
                     count_d<=0;
                 end
             endcase
                 
         end

  6. 主状态机
    一共七个状态，通过按键4循环（倒计时开始状态需要长按按键3进入，倒计时结束后自动切换回状态1）在主状态机下又有子状态机实现时分秒的切换等功能。

    代码太长不贴了，大家打开文件自己看吧

  7. 其他小模块

    • 3-8译码器

      没啥说的，数码管显示附带的

    • 按键消抖
      基本就是检测到边沿后等20ms再检验，我这里采用的方式时检测到边沿后如果20ms没有其他边沿则确定按下/释放

    • 按键长短按
      利用了状态机

      //按键长按检测
always@(posedge Clk or negedge Reset_n)begin
    if(!Reset_n)begin
        key_state<=0;
    end
    else begin
        case(key_state)
            0:
                if(Key_P_flag[2]==1)begin
                    key_state<=1;
                    cnt_key_time<=0;
                end
                    
            1:
                if(Key_R_flag[2]==1)begin
                    key_state<=2;
                    cnt_key_time<=0;
                end
                else if(cnt_key_time==MCNT_2S)begin
                    key_state<=3;
                    cnt_key_time<=0;
                end
                else begin
                    cnt_key_time<=cnt_key_time+1;
                end
            default:
                key_state<=0;
        endcase
    end
end

    • LED闪烁
      使用各种定时器实现闪烁和亮几秒停几秒之类的

三.演示效果

演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1KcafzzEUS/#reply115168541413589
点点三连谢谢喵

四.总结

这是我的第一个FPGA项目，从开始学到完成也才两周，代码大部分也是自己手敲，有很多不足请见谅；同时这也是我第一个开源项目，希望能对大家学习有一定帮助，有问题可以在b站私信我，我看到一定尽量回复。
仓库地址：https://github.com/boxtwo-ylj/SEU-FPGA-homework-electric-clock

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