一、实验目的
掌握 Verilog 语言在硬件描述中的应用，通过编程实现分秒计数器的逻辑功能。
学习并实践按键消抖的原理与实现方法，提升对硬件电路中信号处理的理解。
熟悉在 DE2-115 开发板上进行 Verilog 程序的开发、调试及下载验证流程，将理论知识与实际硬件相结合 。
二、实验环境
硬件平台：DE2-115 开发板，该开发板搭载 Altera Cyclone IV E 系列 FPGA 芯片，提供丰富的外设资源，包括按键、数码管等，便于进行各类数字逻辑实验。
软件工具：Quartus Prime 开发套件，用于 Verilog 代码的编写、综合、布局布线以及下载到 FPGA 芯片中；ModelSim 用于 Verilog 代码的功能仿真，验证设计逻辑的正确性。
三、实验原理
3.1 分秒计数器原理
分秒计数器本质是一个多级计数器。秒计数器以 1Hz 的时钟信号作为计数脉冲，当秒计数器计数到 59 时，产生一个进位信号，触发分计数器加 1。分计数器同样在接收到进位信号时进行计数，当分计数器计数到 59 时，可根据需求选择是否继续进位或循环归零。
3.2 按键消抖原理
机械按键在按下和释放时，由于触点的弹性作用，会产生短暂的抖动，导致信号不稳定。按键消抖通过在检测到按键状态变化后，启动一个计数器，当计数器达到一定时间（如 10ms）且按键状态未再变化时，才认为按键状态有效，从而消除抖动带来的干扰。
四、模块设计与实现
4.1 按键消抖模块（debounce.v）
module debounce (
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire btn_in,
output reg btn_out
);
parameter DEBOUNCE_TIME = 16'd250000; // 10ms @ 25MHz
reg [15:0] cnt;
reg btn_reg1, btn_reg2;
// 同步输入信号到时钟域
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
btn_reg1 <= 1'b0;
btn_reg2 <= 1'b0;
end
else begin
btn_reg1 <= btn_in;
btn_reg2 <= btn_reg1;
end
end
// 消抖计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
cnt <= 16'd0;
btn_out <= 1'b0;
end
else begin
if (btn_reg2 != btn_out) begin
cnt <= cnt + 1'b1;
if (cnt >= DEBOUNCE_TIME) begin
btn_out <= btn_reg2;
cnt <= 16'd0;
end
end
else
cnt <= 16'd0;
end
end
endmodule
该模块通过两级触发器将按键输入信号同步到时钟域，然后使用一个计数器在检测到按键状态变化时开始计数，当计数达到设定的消抖时间且按键状态稳定时，输出稳定的按键信号。
4.2 分秒计数器模块（counter.v）
module counter (
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire pause,
output reg [5:0] sec,
output reg [5:0] min
);
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
sec <= 6'd0;
min <= 6'd0;
end
else if (!pause) begin
if (sec == 6'd59) begin
sec <= 6'd0;
if (min == 6'd59)
min <= 6'd0;
else
min <= min + 1'b1;
end
else
sec <= sec + 1'b1;
end
end
endmodule
在时钟上升沿或复位信号有效时，对分秒计数器进行操作。当暂停信号无效时，秒计数器在计数到 59 后归零并使分计数器加 1，分计数器计数到 59 后归零，实现循环计数；当暂停信号有效时，计数器停止计数。
4.3 顶层模块（top_module.v）
module top_module (
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire pause_btn,
output reg [6:0] seg,
output reg [3:0] an
);
wire clean_pause;
wire [5:0] sec;
wire [5:0] min;
debounce u1 (
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.btn_in(pause_btn),
.btn_out(clean_pause)
);
counter u2 (
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.pause(clean_pause),
.sec(sec),
.min(min)
);
always @(*) begin
case({an})
4'b1110: begin
an = 4'b1110;
case(min[5:4])
2'b00: seg = 7'b0000001;
2'b01: seg = 7'b1001111;
2'b10: seg = 7'b0010010;
2'b11: seg = 7'b0000110;
endcase
end
4'b1101: begin
an = 4'b1101;
case(min[3:0])
4'b0000: seg = 7'b0000001;
4'b0001: seg = 7'b1001111;
4'b0010: seg = 7'b0010010;
4'b0011: seg = 7'b0000110;
4'b0100: seg = 7'b1001100;
4'b0101: seg = 7'b0100100;
4'b0110: seg = 7'b0100000;
4'b0111: seg = 7'b0001111;
4'b1000: seg = 7'b0000000;
4'b1001: seg = 7'b0000100;
endcase
end
4'b1011: begin
an = 4'b1011;
case(sec[5:4])
2'b00: seg = 7'b0000001;
2'b01: seg = 7'b1001111;
2'b10: seg = 7'b0010010;
2'b11: seg = 7'b0000110;
endcase
end
4'b0111: begin
an = 4'b0111;
case(sec[3:0])
4'b0000: seg = 7'b0000001;
4'b0001: seg = 7'b1001111;
4'b0010: seg = 7'b0010010;
4'b0011: seg = 7'b0000110;
4'b0100: seg = 7'b1001100;
4'b0101: seg = 7'b0100100;
4'b0110: seg = 7'b0100000;
4'b0111: seg = 7'b0001111;
4'b1000: seg = 7'b0000000;
4'b1001: seg = 7'b0000100;
endcase
end
default: begin
an = 4'b1111;
seg = 7'b1111111;
end
endcase
end
endmodule
顶层模块将按键消抖模块和分秒计数器模块实例化并连接，同时实现数码管动态显示逻辑，通过扫描不同位的数码管，分时显示分和秒的数值。
五、实验结果与分析
程序在quartus上编译无误后，烧录到板子上运行
将编译后的程序下载到 DE2-115 开发板中，通过实际操作按键进行测试。按下复位按键，数码管显示 “00:00”；按下暂停按键，计数器暂停计数，数码管数值保持不变；再次按下暂停按键，计数器继续计数。数码管能够稳定、正确地显示分和秒的数值，实验功能成功实现。
六、总结
本次实验成功在 DE2-115 板子上使用 Verilog 实现了具有按键暂停和按键消抖功能的分秒计数器。通过实验，深入理解了 Verilog 语言的编程方法、按键消抖的原理以及 FPGA 开发流程。在实验过程中，也遇到了如数码管显示编码错误、时序匹配等问题，通过查阅资料和调试得以解决。