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  1    项目背景  

       数字时钟用数字电路技术实现时、分、秒计时显示的装置。用数字同时显示时，分，秒的精确时间，并能实现准确校时。与传统表盘式机械式时钟相比，具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命。不仅如此，还具备体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求高、高精确性、容易开发等特性。本案例将详细介绍用至简设计法实现数字时钟的功能。

2    设计目标

       本工程使用6个数码管实现数字时钟功能。该功能与数字时钟相同，即从00:00:00一直到23:59:59。

       上板效果图如下图所示。

3    设计实现3.1    顶层信号

      新建目录：D:\mdy_book\my_shizhong。在该目录中，新建一个名为my_shizong.v的文件，并用GVIM打开，开始编写代码。

      我们要实现的功能，概括起来就是控制8个数码管，让其中2个数码管常灭，其他6个数码显示不同的数字。要控制8个数码管，就需要控制位选信号，即FPGA要输出一个8位的位选信号，设为seg_sel，其中seg_sel[0]对应数码管0，seg_sel[1]对应数码管1，以此类推，seg_sel[7]对应数码管7。

       要显示不同的数字，就需要控制段选信号，不需要用到DP，一共有7根线，即FPGA要输出一个7位的段选信号，设为seg_ment，seg_ment[6]~segm_ment[0]分别对应数码管的abcdefg（注意对应顺序）。

       我们还需要时钟信号和复位信号来进行工程控制。

       综上所述，我们这个工程需要4个信号，时钟clk，复位rst_n，输出的位选信号seg_sel和输出的段选信号seg_ment。

      将module的名称定义为my_shizhong。并且我们已经知道该模块有4个信号：clk、rst_n、seg_sel和seg_ment，代码如下：

       其中clk、rst_n是1位的输入信号，seg_sel是8位的输出信号，seg_ment是7位的输出信号，根据此，补充输入输出端口定义。代码如下：

3.2   信号设计

      我们先分析要实现的功能，我们用m_g，m_s，f_g，f_s，s_g，s_s分别表示秒钟个位、秒钟十位、分钟个位、分钟十位、小时个位和小时十位所表示的数字值，m_g_s，m_s_s，f_g_s，f_s_s，s_g_s，s_s_s分别表示秒钟个位、秒钟十位、分钟个位、分钟十位、小时个位和小时十位所表示数码管段选值。

      数码管0显示的是秒个位值，则翻译成信号就是seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为：m_g_s。数码管1显示秒十位，也就是说seg_sel的值为8’b1111_1101，seg_ment的值为m_s_s。以此类推，数码管5显示小时十位，也就是seg_sel的值为8’b1101_1111，seg_ment的值为s_s_s。

      那么seg_ment和seg_sel多久变化一次呢？我们就需要用到数码管动态扫描原理了。

       数码管动态显示接口是应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当要输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

      也就是说，只要刷新时间为1~2ms，那么人眼看起来就似乎是所有数码管都在显示。因为我们把这个刷新时间定为2ms，也就是如下图。

      由波形图可知，我们需要1个计数器用来计算2毫秒的时间。本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到2_000_000/20=100_000个，我们就能知道2毫秒时间到了。另外，由于该计数器是不停地计数，永远不停止的，可以认为加1条件一直有效，可写成：assignadd_cnt0==1。综上所述，该计数器的代码如下。

      再次观察波形图，我们发现依次是显示的是m_g_s、m_s_s、f_g_s、f_s_s、s_g_s和s_s_s，一共6个，循环进行显示。这说明还需要另外一个计数器来表示第几个。该计数器每隔2ms加1，因此加1条件为end_cnt0。该计数器一共要数6次。所以代码为：

      有了两个计数器，我们来思考输出信号seg_sel的变化。概括起来，在第1次的时候输出值为8’hfe；在第2次的时候输出值为8’hfd；以此类推，在第6次的时候输出值为8’hdf。我们用信号cnt1来代替第几次，也就是：当cnt1==0的时候，输出值为8’hfe；在cnt1==1的时候输出值为8’hfd；以此类推，在cnt1==5的时候输出值为8’hdf。再进一步翻译成代码，就变成如下：

      或者可以简写成：

      对上面代码解释一下，第131行是指先将8’b1向左移位，再取反后的值，赋给seg_sel。假设此时cnt1等于0，那么8’b1<<0的结果是8’b0000_0001，取反的值为8’hfe；假设cnt1等于3，那么8’b1<<3的结果为8’b000_1000，取反后的结果为8’b1111_0111，即8’hf7。与第一种写法的结果都是相同的。

      我们来思考输出信号seg_ment的变化。seg_ment的值，是m_g、m_s、f_g、f_s、s_g和s_s等数值分别译码成数码管显示的信号m_g_s、m_s_s、f_g_s、f_s_s、s_g_s和s_s_s。我们一种做法，是将数值分别转成译码信号，然后再挑选出来给seg_ment。如下面的原理图：

      我们还可以是先可以选择哪一组数据，选出来后再做译码，其原理图如下：

       对比两个原理图，可以发现，实现同样的功能，第二个原理图比第一个，少了5个译码电路。这是一个简单的例子，说明实现一个功能，可以有很多种方法，方法各有优势，能用较少的资源、较快的速度实现功能，这就是设计师的能力，也是FPGA设计的魅力所在。

       我们采用第二种实现方案。设计一个信号sel_data，表示从6个数据中选择的信号，之后再做译码。波形图更新如下：

      sel_data的值有可能为0~9中的任意数字，这些数字都要转成数码管的段选信号。下表列出不同数字对应的段选信号值。

      明德扬开发板使用的是共阳数码管。根据上表，可写出下面代码。

      当然，也可以写成case的形式，结果都是一样的。

      sel_data从m_g、m_s、f_g、f_s、s_g和s_s中选取。当cnt1=0，即数码管0显示时，sel_data的值为m_g；当cnt1=1，即数码管1显示时，sel_data的值为m_s；当cnt1=2，即数码管2显示时，sel_data的值为f_g；当cnt1=3，即数码管3显示时，sel_data的值为f_s；当cnt1=4，即数码管4显示时，sel_data的值为s_g；当cnt1=5，即数码管5显示时，sel_data的值为s_s。为此，sel_data的代码为：

      接下来我们设计m_g、m_s、f_g、f_s、s_g和s_s信号，按照常识，秒个位m_g的变化规律如下：

      秒个位的数据是0、1、2~9、0这样有规律的加1变化，很明显可以看出这个m_g其实就是一个计数器，并且这个计数器每隔1秒时间才变化加1一次。1秒时间计时也需要一个计数器，设为cnt2，则cnt2是一直加1的，即可以写成assign add_cnt2 = 1。cnt2要数1秒时间，本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到1_000_000_000/20=50_000_000个，我们就能知道1秒时间到了，所以cnt1的周期是50_000_000个。有了cnt1，我们就知道m_g这个计数器的加1条件是1秒时间到了，即end_cnt2==1，要计数10个。综上所述，可以写出cnt2和m_g的代码如下：

     接下来思考秒十位m_s，m_s的变化情况如下：

      m_s秒十位的指示，很明显每隔10秒就会加1，很明显，m_s也是一个计数器，加1条件是10秒时间到，也就是end_m_g。该计数器周期性是数6个。所以代码如下：

       接下来思考分个位f_g，f_g的变化情况如下：

      接下来思考分十位f_s，f_s的变化情况如下：

      f_s分十位的指示，很明显每隔10分钟就会加1，很明显，f_s也是一个计数器，加1条件是10分钟到，也就是end_f_g。该计数器周期性是数6个。所以代码如下：

      接下来思考小时个位s_g，s_g的变化情况如下：

      s_g小时个位的指示，很明显每隔1小时即6分钟就会加1，很明显，s_g也是一个计数器，加1条件是1小时也就是60分钟时间到，也就是end_f_g。

      接下来我们需要好好思考这个小时个位，它的周期是多少。有读者认为是10个，因为是小时个位会从0~9这样变化；有读者认为是24个，因为一共是24小时；有读者认为是4个，因为小时个位会从0~4变化。

      认为是24小时的读者，没有认识到我们只是看小时个位的变化，而不是小时个位和小时十位整体，整体才是24小时。我们盯着小时个位，会发现它是这么一个规律：0~9，0~9，0~3，0~9，0~9，0~3。因此正确的答案是，有时候周期是10，有时候是4，也就是说周期性会变的。按照明德扬的变量法，设其周期是x，则可以写出s_g的代码如下，而x是怎么来，我们先不考虑，后期再说。

     接下来思考小时十位s_s，s_s的变化情况如下：

      s_s小时十位的指示，很明显当小时个位要清零时（注意不是每隔10小时），s_s就会加1，很明显，s_s也是一个计数器，加1条件是小时个位要清零了，也就是end_s_g。该计数器周期性是数3个。所以代码如下：

      最后，我们再考虑x,也就是小时个位的周期性是多少，并取决于什么因素。我们可以发现，小时个位是0~9，0~9，0~3，0~9，0~9，0~3，也就是周期性是10或者是4。至于是10还是4，则取决于小时十位，即s_s。当时钟的小时十位显示为2时，小时个位只要数到3就行了，没有25点的。综上所术，发s_s为2时，x=4，否则x=10。所以x的代码如下：

此次，主体程序已经完成。接下来是将module补充完整。

3.3   信号定义

      接下来定义信号类型。

      cnt0是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt0计数的最大值为100_000，需要用17根线表示，即位宽是17位。add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

      cnt1是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt1计数的最大值为6，需要用3根线表示，即位宽是3位。add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：

      seg_sel是用always方式设计的，因此类型为reg，其一共有8根线，即位宽为8。因此代码如下：

      seg_ ment是用always方式设计的，因此类型为reg，其一共有7根线，即位宽为7。因此代码如下：

      sel_data是用always设计的，所以类型为wire。其最大值为9，所以需要4位位宽。代码如下：

      cnt2是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt2计数的最大值为50_000_000，需要用26根线表示，即位宽是26位。add_cnt2和end_cnt2都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

       m_g是用always产生的信号，因此类型为reg。m_g计数的最大值为9，需要用4根线表示，即位宽是4位。add_m_g和end_m_g都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

      m_s是用always产生的信号，因此类型为reg。m_s计数的最大值为5，需要用3根线表示，即位宽是3位。add_m_s和end_m_s都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

      f_g是用always产生的信号，因此类型为reg。f_g计数的最大值为9，需要用4根线表示，即位宽是4位。add_f_g和end_f_g都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

      f_s是用always产生的信号，因此类型为reg。f_s计数的最大值为5，需要用3根线表示，即位宽是3位。add_f_s和end_f_s都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

      s_g是用always产生的信号，因此类型为reg。s_g计数的最大值为9，需要用4根线表示，即位宽是4位。add_s_g和end_s_g都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

      s_s是用always产生的信号，因此类型为reg。s_s计数的最大值为2，需要用2根线表示，即位宽是2位。add_s_s和end_s_s都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

       x是用always产生的信号，因此类型为reg。x计数的最大值为10，需要用4根线表示，即位宽是4位。

      至此，整个代码的设计工作已经完成。

      下一步是新建工程和上板查看现象。

4.4     综合与上板
4.1    新建工程

       首先在d盘中创建名为“my_shizhong”的工程文件夹，将写的代码命名为“my_shizhong.v”,顶层模块名为“my_shizhong”。

      然后打开QuartusⅡ，点击File下拉列表中的New Project Wzard...新建工程选项。

      3.再出现的界面中直接点击Next。

      4.之后出现的是工程文件夹、工程名、顶层模块名设置界面。按照之前的命名进行填写，然后点击Next,在出现的界面选择empty project。

      5.之后是文件添加界面。添加之前写的“my_shizhong.v”文件，点击右侧的“Add”按钮，之后文件还会出现在下方大方框里，之后点击“Next”。

      器件型号选择界面。在上方红色箭头处选择CycloneⅣE，在中间红色箭头处选择EP4CE15F23C8，然后点击“Next”。

      EDA工具界面。直接点击“Next”。

      8.之后出现的界面，点击“Finish”。

4.2  综合

      1.新建工程步骤完成后，就会出现以下界面。选中要编译的文件，点击编译按钮。

      2.编译成功后会出现一下界面。

4.3  配置管脚

      在菜单栏中，选中Assignments，然后选择Pin Planner，就会弹出配置管脚的窗口。

     在配置窗口最下方中的location一列，参考下表中最右两列配置好FPGA管脚。

4.4   再次综合

      在菜单栏中，选中Processing，然后选择Start Compilation，再次对整个工程进行编译和综合。

      出现上面的界面，就说明编译综合成功。

4.5    连接开发板

     图中，下载器接入电脑USB接口，电源接入电源，然后摁下蓝色开关。

4.6   上板

      1.双击Tasks一栏中”Program Device”。

      2.会出现如下界面，点击add file添加.sof文件，点击“Start”，会在“Progress”出显示进度。

3.进度条中提示成功后，即可在开发板上观察到相应的现象。