【FPGA实战】基于DE2-115实现数字秒表
一、项目概述
本设计实现了一个基于FPGA的数字秒表系统，主要功能包括：
- 精确到秒的计时功能（最大59:59）
- 按键控制启动/暂停（切换模式）
- 四位数码管显示（带分钟小数点）
- 50MHz时钟分频处理
- 按键消抖处理
二、层次化设计架构
采用自顶向下的设计方法，分为五个核心模块：
- 顶层模块：minute_second_counter_top
- 时钟分频模块：clock_divider
- 按键处理模块：debounce + edge_detector
- 时间计数模块：time_counter
- 显示驱动模块：seven_seg_display
三、核心模块实现原理
1. 时钟分频模块(clock_divider.v)
我们需要的是一个能够计数到60s然后进位1min的分秒计数器，所以秒计数器是0-59，分计数器也是0-59。
那么要实现这个分秒计数器的话，我们需要分频将系统时钟分频成1Hz的信号，作为计数器的基准时钟。
其次就是需要一个计数器控制模块，当秒计数器在使能信号有效时，每个时钟周期+1，达到59时归零，分计数器+1。当暂停按键被按下时使能信号被关闭，计数器停止。
module clock_divider (
input clk,
input reset_n,
output reg one_sec_enable
);
reg [25:0] counter;
always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
if (!reset_n) begin
counter <= 0;
one_sec_enable <= 0;
end else begin
if (counter == 26'd49_999_999) begin
counter <= 0;
one_sec_enable <= 1;
end else begin
counter <= counter + 1;
one_sec_enable <= 0;
end
end
end
endmodule
2. 按键处理模块
由于按键按下时，信号会抖动，所欲我们需要在检测到按键变化后再延迟一段时间，再次进行检测以判断按键状态是否稳定。当然，这个延迟时间不要太长大概20ms。
如果稳定，则输出有效的按键信号，我们可以用计数器来实现案件后延时时间的计数。
2.1 消抖(debounce .v)
module debounce (
input clk,
input reset_n,
input key_in,
output reg key_out
);
reg [19:0] counter;
reg key_in_sync;
always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
if (!reset_n) begin
key_in_sync <= 1;
counter <= 0;
key_out <= 1;
end else begin
key_in_sync <= key_in;
if (key_in_sync != key_out) begin
if (counter == 20'd999_999) begin
key_out <= key_in_sync;
counter <= 0;
end else begin
counter <= counter + 1;
end
end else begin
counter <= 0;
end
end
end
endmodule
2.2 边沿检测(edge_detector .v)
module edge_detector (
input clk,
input reset_n,
input signal_in,
output rising_edge
);
reg signal_delay;
always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
if (!reset_n) begin
signal_delay <= 1'b0;
end else begin
signal_delay <= signal_in;
end
end
assign rising_edge = signal_in & ~signal_delay;
endmodule
检测按键释放的上升沿
确保每次按键只触发一次动作
3. 时间计数模块(time_counter .v)
采用四级BCD计数器级联：
module time_counter (
input clk,
input reset_n,
input one_sec_enable,
input start_pause_rise,
output reg [3:0] min_tens,
output reg [3:0] min_ones,
output reg [3:0] sec_tens,
output reg [3:0] sec_ones
);
reg pause_state;
always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
if (!reset_n) begin
pause_state <= 1'b0;
{sec_ones, sec_tens, min_ones, min_tens} <= 16'd0;
end else begin
// 暂停状态切换
if (start_pause_rise) begin
pause_state <= ~pause_state;
end
// 时间计数
if (!pause_state && one_sec_enable) begin
if (sec_ones == 9) begin
sec_ones <= 0;
if (sec_tens == 5) begin
sec_tens <= 0;
if (min_ones == 9) begin
min_ones <= 0;
min_tens <= (min_tens == 5) ? 0 : min_tens + 1;
end else begin
min_ones <= min_ones + 1;
end
end else begin
sec_tens <= sec_tens + 1;
end
end else begin
sec_ones <= sec_ones + 1;
end
end
end
end
endmodule
4. 显示驱动模块(seven_seg_display.v)
要将分秒计数器的值通过七段数码管显示，我们就要将计数值（二进制）转化16进制。
module seven_seg_display (
input clk,
input reset_n,
input [3:0] min_tens,
input [3:0] min_ones,
input [3:0] sec_tens,
input [3:0] sec_ones,
output reg [7:0] hex3,
output reg [7:0] hex2,
output reg [7:0] hex1,
output reg [7:0] hex0,
output reg [3:0] dig
);
reg [16:0] scan_counter;
reg [1:0] scan_sel;
// 扫描计数器
always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
if (!reset_n) begin
scan_counter <= 0;
scan_sel <= 0;
end else begin
if (scan_counter == 17'd49_999) begin
scan_counter <= 0;
scan_sel <= scan_sel + 1;
end else begin
scan_counter <= scan_counter + 1;
end
end
end
// 位选信号
always @(*) begin
case (scan_sel)
2'b00: dig = 4'b1110;
2'b01: dig = 4'b1101;
2'b10: dig = 4'b1011;
2'b11: dig = 4'b0111;
default: dig = 4'b1111;
endcase
end
// 七段译码
always @(posedge clk) begin
case (scan_sel)
2'b00: begin
hex0 <= seg7(sec_ones, 1'b0);
{hex3, hex2, hex1} <= {8'hFF, 8'hFF, 8'hFF};
end
2'b01: begin
hex1 <= seg7(sec_tens, 1'b0);
{hex3, hex2, hex0} <= {8'hFF, 8'hFF, 8'hFF};
end
2'b10: begin
hex2 <= seg7(min_ones, 1'b1); // 分钟个位带小数点
{hex3, hex1, hex0} <= {8'hFF, 8'hFF, 8'hFF};
end
2'b11: begin
hex3 <= seg7(min_tens, 1'b0);
{hex2, hex1, hex0} <= {8'hFF, 8'hFF, 8'hFF};
end
endcase
end
// 七段译码函数
function [7:0] seg7;
input [3:0] bcd;
input dp;
begin
case (bcd)
4'd0: seg7 = {dp, 7'b1000000};
4'd1: seg7 = {dp, 7'b1111001};
4'd2: seg7 = {dp, 7'b0100100};
4'd3: seg7 = {dp, 7'b0110000};
4'd4: seg7 = {dp, 7'b0011001};
4'd5: seg7 = {dp, 7'b0010010};
4'd6: seg7 = {dp, 7'b0000010};
4'd7: seg7 = {dp, 7'b1111000};
4'd8: seg7 = {dp, 7'b0000000};
4'd9: seg7 = {dp, 7'b0010000};
default: seg7 = 8'b11111111;
endcase
end
endfunction
endmodule
5.顶层模块(minute_second_counter_top.v)
module minute_second_counter_top (
input clk, // 50MHz时钟
input reset_n, // 复位信号
input start_pause, // 启动/暂停按键
output [7:0] hex3, // 分钟十位
output [7:0] hex2, // 分钟个位（带小数点）
output [7:0] hex1, // 秒十位
output [7:0] hex0, // 秒个位
output [3:0] dig // 数码管位选
);
// 内部信号定义
wire start_pause_debounced;
wire start_pause_rise;
wire one_sec_enable;
wire [3:0] min_tens, min_ones, sec_tens, sec_ones;
// 模块实例化
clock_divider u_clock_divider (
.clk(clk),
.reset_n(reset_n),
.one_sec_enable(one_sec_enable)
);
debounce u_debounce (
.clk(clk),
.reset_n(reset_n),
.key_in(start_pause),
.key_out(start_pause_debounced)
);
edge_detector u_edge_detector (
.clk(clk),
.reset_n(reset_n),
.signal_in(start_pause_debounced),
.rising_edge(start_pause_rise)
);
time_counter u_time_counter (
.clk(clk),
.reset_n(reset_n),
.one_sec_enable(one_sec_enable),
.start_pause_rise(start_pause_rise),
.min_tens(min_tens),
.min_ones(min_ones),
.sec_tens(sec_tens),
.sec_ones(sec_ones)
);
seven_seg_display u_seven_seg_display (
.clk(clk),
.reset_n(reset_n),
.min_tens(min_tens),
.min_ones(min_ones),
.sec_tens(sec_tens),
.sec_ones(sec_ones),
.hex3(hex3),
.hex2(hex2),
.hex1(hex1),
.hex0(hex0),
.dig(dig)
);
endmodule
三、引脚配置
引脚配置如下图所示：
四、实验效果
［Verilog］DE2-115分秒计时器演示视频
五、总结与扩展
本设计实现了完整的秒表计时功能和按键交互。
在实现过程中出现了许多问题，建议先构思实现代码再进行层次化设计，这样会省很多麻烦。