手把手教你学FPGA设计-秒表功能

fpgayang

秒表功能

一、项目背景

同上一个项目。

二、设计目标

开发板或者模块是有 8 位数码管，本次设计需要使用1个数码管，即数码管0，实现类似于秒表的功能，具体要求如下：

复位后，数码管0显示数字0并持续1秒；然后显示数字1并持续2秒；然后显示数字2并持续3秒；以此类推，最后是显示数字9并持续10秒。然后再次循环

上板效果图如下图所示。

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpgfile:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg

上板的演示效果，请登陆网址查看：www.mdy-edu.com/xxxx。

三、模块设计

我们要实现的功能，概括起来就是控制8个数码管，其中数码管0亮，其他数码管不亮。并让数码管0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。

信号线	信号线	FPGA管脚	内部信号
SEG_E	SEG0	Y6	seg_ment[2]
SEG_DP	SEG1	W6	未用到
SEG_G	SEG2	Y7	seg_ment[0]
SEG_F	SEG3	W7	seg_ment[1]
SEG_D	SEG4	P3	seg_ment[3]
SEG_C	SEG5	P4	seg_ment[4]
SEG_B	SEG6	R5	seg_ment[5]
SEG_A	SEG7	T3	seg_ment[6]
DIG1	DIG_EN1	T4	seg_sel[0]
DIG2	DIG_EN2	V4	seg_sel[1]
DIG3	DIG_EN3	V3	seg_sel[2]
DIG4	DIG_EN4	Y3	seg_sel[3]
DIG5	DIG_EN5	Y8	seg_sel[4]
DIG6	DIG_EN6	W8	seg_sel[5]
DIG7	DIG_EN7	W10	seg_sel[6]
DIG8	DIG_EN8	Y10	seg_sel[7]

我们先分析要实现的功能，数码管0显示数字0，翻译成信号就是seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为7’b000_0001。然后数码管0显示数字1，也就是说seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为7’b100_1111。以此类推，数码管0显示数字9，就是seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为7’b000_0100。

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.png

seg_sel一直为8’hfe，不变化。seg_ment隔一段时间后会变化，而这个时间在不同时期还不相同。把时间信息补充上，得到下面的波形示意图。

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.png         上图就是seg_sel和seg_seg信号的变化波形图。在显示第1个时，seg_sel=8’hfe，seg_ment=7’h01并持续1秒；在第2个时，seg_sel=8’hfe，seg_ment=7’h4f并持续2秒；以此类推，第8个时，seg_sel=8’hfe，seg_ment=7’h04并持续10秒。然后又再次重复。

由波形图可知，我们需要1个计数器用来计算时间，如2秒、3秒等。另外，我们还需要一个计数器，用来计算在第几个阶段中。所以总共需要2个计数器。

本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到2_000_000_000/20=100_000_000个，我们就能知道2秒时间到了。以类类推，在第2次时，数到150_000_000个，就知道了3秒时间到。第9次时，数到500_000_000个，就表示10秒时间到。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，结合变量法，该计数器的代码如下

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.jpg

1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12    13    14

always @(posedge clk or negedge  rst_n)begin         if(!rst_n)begin             cnt0 <= 0;         end         else if(add_cnt0)begin             if(end_cnt0)                cnt0 <= 0;             else                cnt0 <= cnt0 + 1;         end    end       assign add_cnt0 = 1 ;    assign end_cnt0 = add_cnt0 &&  cnt0== x-1 ;

第二个计数器用于表示第几个，很自然可以看到，每个阶段完成后，该计数器加1，因此加1条件可为end_cnt0。该计数器一共要数10次。所以代码为：

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.jpg

1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12    13    14

always @(posedge clk or negedge  rst_n)begin         if(!rst_n)begin             cnt1 <= 0;         end         else if(add_cnt1)begin             if(end_cnt1)                 cnt1 <= 0;             else                cnt1 <= cnt1 + 1;         end    end       assign add_cnt1 = end_cnt0;    assign end_cnt1 = add_cnt1 &&  cnt1== 10-1 ;

接下来设计seg_sel。该信号一直为8’hfe，所以代码直接写成如下：

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.png

1	assign seg_sel = 8'hfe ;

我们来思考输出信号seg_ment的变化。概括起来，在第1次的时候输出值为7’h01；在第2次的时候输出值为7’h4f；以此类推，在第8次的时候输出值为7’h0f。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7’h01；在cnt1==1的时候输出值为7’h4f；以此类推，在cnt1==9的时候输出值为7’h04。再进一步翻译成代码，就变成如下：

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image017.png

1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12    13    14    15    16    17    18    19    20    21    22    23    24    25    26    27    28    29    30    31    32    33    34    35

always   @(posedge clk or negedge rst_n)begin         if(rst_n==1'b0)begin             seg_ment <= 7'h01;         end         else if(cnt1==0)begin             seg_ment <= 7'h01;         end         else if(cnt1==1)begin             seg_ment <= 7'h4f;         end         else if(cnt1==2)begin             seg_ment <= 7'h12;         end         else if(cnt1==3)begin             seg_ment <= 7'h06;         end         else if(cnt1==4)begin             seg_ment <= 7'h4c;         end         else if(cnt1==5)begin             seg_ment <= 7'h24;         end         else if(cnt1==6)begin             seg_ment <= 7'h20;        end         else if(cnt1==7)begin             seg_ment <= 7'h0f;         end         else if(cnt1==8)begin             seg_ment <= 7'h00;         end         else if(cnt1==9)begin             seg_ment <= 7'h04;         end    end

然后，用组合逻辑把x的值确定下来。

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.png

file:///C:/Users/pan/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image019.png

1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12    13    14    15    16    17    18    19    20    21    22    23    24    25    26    27    28    29    30    31    32

always   @(*)begin         if(cnt1==0)begin             x = 50_000_000;         end         else if(cnt1==1)begin             x = 100_000_000;         end         else if(cnt1==2)begin             x = 150_000_000;         end         else if(cnt1==3)begin             x = 200_000_000;         end         else if(cnt1==4)begin             x = 250_000_000;         end         else if(cnt1==5)begin             x = 300_000_000;         end         else if(cnt1==6)begin             x = 350_000_000;         end         else if(cnt1==7)begin             x = 400_000_000;         end         else if(cnt1==8)begin             x = 450_000_000;         end         else if(cnt1==9)begin             x = 500_000_000;         end    end