基于FPGA的數(shù)字秒表設計與實現(xiàn)

王媛媛

（西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054）

數(shù)字秒表是一種常用的計時工具，以其價格低廉、走時精確、使用方便、功能多而倍受廣大用戶的喜愛[1]。而基于FPGA的設計是當前數(shù)字系統(tǒng)設計領域中的重要方式之一[2]。同時，基于FPGA的片上系統(tǒng)與基于專用集成電路（ASIC）的片上系統(tǒng)相比，具有風險小、開發(fā)周期短、成本低、可擦寫等優(yōu)點[3]。其可以完全由用戶通過軟件進行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復擦寫。在修改和升級時不需額外地改變PCB電路板，只是在計算機上修改和更新程序，使硬件設計工作成為軟件工作，從而縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了實現(xiàn)的靈活性并降低了成本。本文基于FPGA開發(fā)平臺，采用VHDL硬件描述語言設計了一款數(shù)字秒表，實現(xiàn)了以下功能：按鍵 1（K1），啟動和停止秒表；按鍵 2（K2），復位（清零）；蜂鳴器實現(xiàn)溢出報警；數(shù)碼管實現(xiàn)計時顯示。

1 基于FPGA的數(shù)字秒表設計

1.1 系統(tǒng)設計

數(shù)字秒表常用于體育競賽以及各種要求有較精確計時的場合，其主要指標參數(shù)和功能要求有：精度及分辨率，計時長度，啟、停，復位等。根據(jù)設計的指標及功能要求，系統(tǒng)分為分頻模塊、計數(shù)模塊、顯示控制模塊和譯碼、顯示模塊，其總體結構框圖如圖1所示。分頻模塊將FPGA開發(fā)板提供的50 MHz時鐘信號進行分頻，得到計數(shù)及數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示所需的頻率；計數(shù)模塊由十進制和六進制計數(shù)器組成，用于實現(xiàn)秒表計時功能，其輸出數(shù)據(jù)首先送給顯示控制模塊，該模塊的主要功能是實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)掃描顯示控制，提供顯示的位選控制信號和段選控制信號；最后是譯碼、顯示輸出，將計時時間進行譯碼并正確顯示在數(shù)碼管上。

圖1 數(shù)字秒表總體結構框圖

1.2 子模塊功能設計與仿真

1.2.1 分頻模塊

分頻模塊的主要作用是將較高頻率的輸入時鐘信號進行分頻，產(chǎn)生設計所需頻率的時鐘信號。模塊框圖如圖2所示。FPGA開發(fā)板提供的時鐘信號頻率為50 MHz，而設計要求秒表精度為0.01 s，即需要計數(shù)時鐘頻率為100 Hz，同時顯示掃描頻率需 1 kHz，因此，通過分頻模塊對時鐘信號進行分頻，得到100 Hz和1 kHz的時鐘信號，分別提供給計數(shù)模塊和顯示控制模塊。該模塊VHDL程序如下。

圖2 分頻模塊框圖

1.2.2 計數(shù)模塊

計數(shù)模塊是秒表的核心模塊，完成計時功能。本設計要求秒表分辨率為0.01 s，即10 ms，最大計時為：59 min，59.99 s。因此，該模塊包括4個十進制計數(shù)器和兩個六進制計數(shù)器。通過十進制和六進制計數(shù)器的級聯(lián)組合，分別產(chǎn)生秒表的百分秒（0～99）、秒（0～59）和分（0～59）。十進制計數(shù)器為異步復位、同步使能計數(shù)器，其程序代碼如下。

十進制計數(shù)器的仿真波形如圖3所示。

圖3 十進制計數(shù)器仿真波形

1.2.3 數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示模塊

通過分頻模塊和計數(shù)模塊，已可以實現(xiàn)秒表的計時功能，接下來要將秒表的計時時間通過數(shù)碼管顯示出來。數(shù)碼管顯示方式有靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示，本設計采用數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示方式。

（1）數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示原理分析

數(shù)碼管顯示的方式有靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式兩種。靜態(tài)顯示的特點是每個數(shù)碼管的段選必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字型碼。當送入一次字型碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制，缺點是硬件比較復雜、成本高。因此，在實際應用中，一般采用動態(tài)顯示方式，即所有數(shù)碼管的段選都并聯(lián)在一起，由位選線控制哪一位數(shù)碼管有效。所謂動態(tài)顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字型碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用使人感覺數(shù)碼管是同時顯示的。在編程時，需要輸出段選和位選信號，位選信號選中其中一個數(shù)碼管，然后輸出段碼，使該數(shù)碼管顯示所需的內容，延時一段時間后，再選中另一個數(shù)碼管，再輸出對應的段碼，高速交替。在動態(tài)顯示程序中，各個位的延時時間長短是非常重要的，如果延時時間長，則會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象；如果延時時間短，則會出現(xiàn)顯示暗且有重影。

（2）顯示控制部分

根據(jù)對數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示原理的分析，結合設計的功能要求，選用開發(fā)板上6個共陰數(shù)碼管掃描輸出顯示秒表的分、秒和百分秒，掃描頻率一般只要超過人眼的視覺暫留頻率24 Hz以上就可以點亮單個數(shù)碼管而不閃爍，本設計采用1 kHz掃描頻率。位選模塊框圖如圖4所示。

位選程序代碼如下所示。

圖4 位選示意圖

顯示控制原理示意圖如圖5所示。位選信號在1 kHz時鐘的作用下循環(huán)掃描每位數(shù)碼管，使各數(shù)碼管高速交替顯示輸出所送入的數(shù)據(jù)信號。在顯示控制模塊的作用下數(shù)碼管分別顯示對應內容：秒表的分、秒和毫秒，比如：顯示 10：59：96，即 10分 59.96秒。顯示控制模塊框圖如圖6所示，顯示控制程序如下所示。

圖5 顯示控制示意圖

圖6 顯示控制模塊框圖

（3）譯碼、顯示部分

LED數(shù)碼管是由8個發(fā)光二極管封裝而成的，每段為一個發(fā)光二極管，其字形結構如圖7所示。選擇點亮不同的段，可以顯示出不同的字形，例如，當“a，b，c，d，g”字段被點亮時，顯示字符“3”。

譯碼、顯示部分的主要作用是將顯示控制模塊輸出的二進制數(shù)據(jù)轉換成0～9的十進制數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示。其VHDL代碼如下所示。

圖7 數(shù)碼管示意圖

2 基于FPGA的數(shù)字秒表的實現(xiàn)

在Quartus II開發(fā)平臺上實現(xiàn)了數(shù)字秒表系統(tǒng)設計，其原理框圖如圖8所示。

圖8 基于FPGA的數(shù)字秒表原理圖

對系統(tǒng)整體進行了仿真分析，其仿真波形如圖9所示。

圖9 數(shù)字秒表系統(tǒng)仿真波形

3 編程下載與測試

本系統(tǒng)采用VHDL硬件描述語言完成了編程，并在Quartus II集成開發(fā)環(huán)境下進行了綜合、編譯和仿真分析，最后將設計引腳與硬件電路進行適配，將程序代碼通過下載器下載至FPGA，本設計采用的是EP2C5Q208C8 FPGA。經(jīng)過調試與驗證，系統(tǒng)實現(xiàn)了如下功能：（1）具有復位功能，任何時刻都可以進行清零復位，復位時顯示00：00：00；（2）具有啟動、停止功能，可以實現(xiàn)秒表計時開啟和計時中斷停止，計時時長為59分59.99秒；（3）具有溢出報警功能。本系統(tǒng)實現(xiàn)了設計指標要求。

本設計基于FPGA開發(fā)平臺，采用模塊化設計思想、VHDL硬件描述語言和原理圖輸入方法，并經(jīng)過實際電路測試，達到了預期的設計指標要求。與普通電子秒表系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有外圍電路少、精度高、集成度高、可靠性強等優(yōu)點[4]。除此之外，也是基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)最為突出的特點，即當系統(tǒng)需要升級，或更新某項設計指標時，用戶不需要重新設計或更換硬件電路，只需要通過軟件修改程序即可，這樣既可以節(jié)約成本，也可以大大縮短設計周期。

[1]樊金榮，謝智文.數(shù)字倒計時秒表的設計與實現(xiàn)[J].中南民族大學學報，2005，24（1）：79-80.

[2]孫富明，李笑盈.基于多種 EDA工具的 FPGA設計[J].電子技術應用，2002（1）：70-71.

[3]崔健，劉晉.基于 FPGA嵌入式系統(tǒng)的研究與應用[J].微型機與應用，2010（3）：8-10.

[4]楊遠成，趙創(chuàng)社，雷金利.基于FPGA的數(shù)字秒表的設計[J].現(xiàn)代電子技術，2008（12）：52-53.