【正点原子FPGA连载】第三十章实时时钟数码管显示实验--摘自《正点原子开拓者FPGA开发指南》

正点原子运营 · 发表于 2019-5-20 12:35:23

1）实验平台：正点原子开拓者FPGA开发板

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2）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-281143-1-1.html

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24_rtc.rar (3.78 MB, 下载次数: 85)

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第三十章实时时钟数码管显示实验

PCF8563是一款多功能时钟/日历芯片。因其功耗低、控制简单、封装小而广泛应用于电表、水表、传真机、便携式仪器等产品中。本章我们将使用FPGA开发板上的PCF8563器件实现实时时钟的显示。
本章包括以下几个部分：
30.1 PCF8563简介
30.2 实验任务
30.3 硬件设计
30.4 程序设计
30.5 下载验证
30.1 PCF8563简介
PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级多功能时钟/日历芯片，具有报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务。其内部功能模块的框图如图 30.1.1所示：

图 30.1.1 PCF8563功能框图

PCF8563有16个可寻址的8位寄存器，但不是所有位都有用到。前两个寄存器（内存地址00H、01H）用作控制寄存器和状态寄存器（CONTROL_STATUS）；内存地址02H~08H用作TIME计时器(秒~年计时器)；地址09H~0CH用于报警（ALARM）寄存器(定义报警条件)；地址0DH控制CLKOUT管脚的输出频率；地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器中的数据编码格式为BCD，只有星期和星期报警寄存器中的数据不以BCD格式编码。 BCD码（Binary-Coded Decimal）是一种二进制的数字编码形式，用四个二进制位来表示一位十进制数（0~9），能够使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。PCF8563通过I2C接口与FPGA进行通信。使用该器件时，先通过I2C接口向该器件相应的寄存器写入初始的时间数据（秒~年），然后通过I2C接口读取相应的寄存器的时间数据。有关I2C总线协议详细的介绍请大家参考“EEPROM读写实验” 。
下面我们对本次实验用到的寄存器做简要的描述和说明，其他寄存器的描述和说明，请大家参考PCF8563的数据手册。秒寄存器的的地址为02h，说明如下表所示：

表 30.1.1 秒寄存器描述（地址02h）

当电源电压低于PCF8563器件的最低供电电压时， VL为“1”，表明内部完整的时钟周期信号不能被保证，可能导致时钟/日历数据不准确。BCD编码的秒数值如表 30.1.2所示：

表 30.1.2 秒数值的BCD编码

秒寄存器的地址为03h，说明如下表所示：

表 30.1.3 分钟寄存器描述（地址03h）

小时寄存器的地址为04h，说明如下表所示：

表 30.1.4 小时寄存器描述（地址04h）

天寄存器的地址为05h，说明如下表所示：

表 30.1.5 天寄存器描述（地址05h）

当年计数器的值是闰年时， PCF8563自动给二月增加一个值，使其成为29天。月/世纪寄存器的地址为07h，说明如下表所示：

表 30.1.6 月/世纪寄存器（地址07h）

表 30.1.7 月份表

年寄存器的地址为08h，说明如下表所示：

表 30.1.8 寄存器（地址08h）

30.2 实验任务
本节实验任务是使用开拓者开发板上的PCF8563实时时钟模块通过数码管显示时间，数码管默认显示年月日，按下KEY2之后显示时分秒，再次按下KEY2之后显示年月日。
30.3 硬件设计
开拓者开发板上PCF8563接口部分的原理图如图 30.3.1所示。

图 30.3.1 PCF8563接口原理图

PCF8563作为I2C接口的从器件与EEPROM等模块统一挂接在开拓者开发板上的IIC总线上。OSCI、 OSCO与外部32.768KHz的晶振相连，为芯片提供驱动时钟； SCL和SDA分别是I2C总线的串行时钟接口和串行数据接口。
本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示：

表 30.3.1 PCF8563实时时钟数码管显示管脚分配

30.4 程序设计
根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程： FPGA首先通过I2C总线向PCF8563写入初始时间值，然后读取时间数据，并在按键的控制下将读到的时间数据显示到数码管上。由此画出系统的功能框图如下所示：

图 30.4.1 PCF8563T实时时钟数码管显示系统框图

由系统框图可知， FPGA部分包括五个模块，顶层模块（rtc）、 IIC驱动模块（i2c_dri）、PCF8563实时时钟模块（pcf8563）、按键消抖模块（key_debounce）以及数码管BCD驱动模块（seg_bcd_dri）。其中在顶层模块中完成对另外四个模块的例化，并实现各模块控制及数据信号的交互。各模块端口及信号连接如图 30.4.2所示：

图 30.4.2 顶层模块原理图

PCF8563实时时钟模块（pcf8563）通过调用IIC驱动模块（i2c_dri）来实现对PCF8563实时时钟数据的读取；同时根据按键消抖模块（key_debounce）输出的按键数据（key_value）选择显示时间num（年月日/时分秒），并将其传递给数码管BCD驱动模块（seg_bcd_dri）显示。
顶层模块的代码如下：
1 module rtc(
2 //system clock
3 input sys_clk , // 系统时钟
4 input sys_rst_n , // 系统复位
5 6
//pcf8563 interface
7 output rtc_scl , // i2c时钟线
8 inout rtc_sda , // i2c数据线
9
10 //user interface
11 input key0 , // 开关按键
12 output [5:0] sel , // 数码管位选
13 output [7:0] seg_led // 数码管段选
14 );
15
16 //parameter define
17 parameter SLAVE_ADDR = 7'h51 ; // 器件地址
18 parameter BIT_CTRL = 1'b0 ; // 字地址位控制参数(16b/8b)
19 parameter CLK_FREQ = 26'd50_000_000; // i2c_dri模块的驱动时钟频率(CLK_FREQ)
20 parameter I2C_FREQ = 18'd250_000 ; // I2C的SCL时钟频率
21 parameter POINT = 6'b010100 ; // 控制点亮数码管小数点的位置
22 //初始时间设置，从高到低为年到秒，各占8bit
23 parameter TIME_INI = 48'h18_05_23_09_30_00;
24
25 //wire define
26 wire clk ; // I2C操作时钟
27 wire i2c_exec ; // i2c触发控制
28 wire [15:0] i2c_addr ; // i2c操作地址
29 wire [ 7:0] i2c_data_w; // i2c写入的数据
30 wire i2c_done ; // i2c操作结束标志
31 wire i2c_rh_wl ; // i2c读写控制
32 wire [ 7:0] i2c_data_r; // i2c读出的数据
33 wire [23:0] num ; // 数码管要显示的数据
34 wire key_value ; // 按键消抖后的数据
35
36 //*****************************************************
37 //** main code
38 //*****************************************************
39
40 //例化i2c_dri,调用IIC协议
41 i2c_dri #(
42 .SLAVE_ADDR (SLAVE_ADDR), // slave address从机地址，放此处方便参数传递
43 .CLK_FREQ (CLK_FREQ ), // i2c_dri模块的驱动时钟频率(CLK_FREQ)
44 .I2C_FREQ (I2C_FREQ ) // I2C的SCL时钟频率
45 ) u_i2c_dri(
46 //global clock
47 .clk (sys_clk ), // i2c_dri模块的驱动时钟(CLK_FREQ)
48 .rst_n (sys_rst_n ), // 复位信号
49 //i2c interface
50 .i2c_exec (i2c_exec ), // I2C触发执行信号
51 .bit_ctrl (BIT_CTRL ), // 器件地址位控制(16b/8b)
52 .i2c_rh_wl (i2c_rh_wl ), // I2C读写控制信号
53 .i2c_addr (i2c_addr ), // I2C器件内地址
54 .i2c_data_w (i2c_data_w), // I2C要写的数据
55 .i2c_data_r (i2c_data_r), // I2C读出的数据
56 .i2c_done (i2c_done ), // I 2C一次操作完成
57 .scl (rtc_scl ), // I2C的SCL时钟信号
58 .sda (rtc_sda ), // I2C的SDA信号
59 //user interface
60 .dri_clk (clk ) // I2C操作时钟
61 );
62
63 //例化PCF8563测量模块
64 pcf8563 #(.TIME_INI(TIME_INI)
65 ) u_pcf8563(
66 //system clock
67 .clk (clk ), // 时钟信号
68 .rst_n (sys_rst_n ), // 复位信号
69 //i2c interface
70 .i2c_rh_wl (i2c_rh_wl ), // I2C读写控制信号
71 .i2c_exec (i2c_exec ), // I2C触发执行信号
72 .i2c_addr (i2c_addr ), // I2C器件内地址
73 .i2c_data_w (i2c_data_w), // I2C要写的数据
74 .i2c_data_r (i2c_data_r), // I2C读出的数据
75 .i2c_done (i2c_done ), // I2C一次操作完成
76 //user interface
77 .key_value (key_value ), // 按键切换输入
78 .num (num ) // 数码管要显示的数据
79 );
80
81 //例化数码管驱动模块
82 seg_bcd_dri u_seg_bcd_dri(
83 //input
84 .clk (sys_clk ), // 时钟信号
85 .rst_n (sys_rst_n ), // 复位信号
86 .num (num ), // 6个数码管要显示的数值
87 .point (POINT ), // 小数点具体显示的位置,从高到低,高有效
88 //output
89 .sel (sel ), // 数码管位选
90 .seg_led (seg_led ) // 数码管段选
91 );
92
93 //例化消抖模块
94 key_debounce u_key_debounce(
95 .clk (sys_clk ), //外部50M时钟
96 .rst_n (sys_rst_n ), //外部复位信号，低有效
97 .key (key0 ), //外部按键输入
98 .key_value (key_value ), //按键消抖后的数据
99 .key_flag () //按键数据有效信号
100 );
101
102 endmodule
程序中第23行的TIME_INI参数是PCF8563初始化时的时间数据，可以通过修改此参数值使PCF8563从不同的时间开始计时，例如从2018年5月23号09： 30： 00开始计时，需要将该参数值设置为48’h180523093000。顶层模块中主要完成对其余模块的例化。其中I2C驱动模块（i2c_dri）程序与“EEPROM读写实验” 章节中的IIC驱动模块（i2c_dri）程序完全相同，有关IIC驱动模块的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验” 。按键消抖模块可参考“按键控制蜂鸣器实验” 。PCF8563实时时钟模块的代码如下所示：
1 module pcf8563 #(
2 // 初始时间设置，从高到低为年到秒，各占8bit
3 parameter TIME_INI = 48'h18_03_19_09_30_00)(
4 //system clock 50MHz
5 input clk , // 时钟信号
6 input rst_n , // 复位信号
7 8
//i2c interface
9 output reg i2c_rh_wl , // I2C读写控制信号
10 output reg i2c_exec , // I2C触发执行信号
11 output reg [15:0] i2c_addr , // I2C器件内地址
12 output reg [ 7:0] i2c_data_w , // I2C要写的数据
13 input [ 7:0] i2c_data_r , // I2C读出的数据
14 input i2c_done , // I2C一次操作完成
15
16 //user interface
17 input key_value , // 按键切换输入
18 output [23:0] num // 数码管要显示的数据
19 );
20
21 //reg define
22 reg key_dy0 ; // 延迟打拍
23 reg key_dy1 ; // 延迟打拍
24 reg switch ; // 按键切换显示日期、时间
25 reg [3:0] flow_cnt ; // 状态流控制
26 reg [12:0] wait_cnt ; // 计数等待
27 reg [5:0] point ; // 控制点亮数码管小数点的位置
28 //PCF8563T的秒、分、时、日、月、年数据
29 reg [7:0] sec ; // 秒
30 reg [7:0] min ; // 分
31 reg [7:0] hour ; // 时
32 reg [7:0] day ; // 日
33 reg [7:0] mon ; // 月
34 reg [7:0] year ; // 年
35 wire [23:0] rtc_time ; // PCF8563T的时间数据，从低位到高位依次是秒、
分、时，各8bit
36 wire [23:0] rtc_date ; // PCF8563T的日期数据，从低位到高位依次是日、
月、年，各8bit
37
38 //wire define
39 wire neg_sap ; // 采下降沿得到的信号
40
41 //*****************************************************
42 //** main code
43 //*****************************************************
44
45 assign neg_sap = (~key_dy0 & key_dy1); // 按键按下时，得到一个周期的高电平信号
46 assign rtc_time = {hour,min,sec};
47 assign rtc_date = {year,mon,day};
48 //通过switch切换时间/日期显示
49 assign num = switch ? rtc_time : rtc_date;
50
51 //打拍（采按键时的下降沿）
52 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
53 if(!rst_n) begin
54 key_dy0 <= 1'b1;
55 key_dy1 <= 1'b1;
56 end
57 else begin
58 key_dy0 <= key_value;
59 key_dy1 <= key_dy0 ;
60 end
61 end
62
63 //按键切换
64 always @(posedge clk or negedge rst_n ) begin
65 if(!rst_n)
66 switch<= 1'b0;
67 else if (neg_sap)
68 switch <= ~switch;
69 end
70
71 //从PCF8563T读出的时间、日期数据
72 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
73 if(!rst_n) begin
74 sec <= 8'h0;
75 min <= 8'h0;
76 hour <= 8'h0;
77 day <= 8'h0;
78 mon <= 8'h0;
79 year <= 8'h0;
80 i2c_exec <= 1'b0;
81 i2c_rh_wl <= 1'b0;
82 i2c_addr <= 8'd0;
83 i2c_data_w <= 8'd0;
84 flow_cnt <= 4'd0;
85 wait_cnt <= 13'd0;
86 end
87 else begin
88 i2c_exec <= 1'b0;
89 case(flow_cnt)
90 //上电初始化
91 4'd0: begin
92 if(wait_cnt == 13'd8000) begin
93 wait_cnt<= 12'd0;
94 flow_cnt<= flow_cnt + 1'b1;
95 end
96 else
97 wait_cnt<= wait_cnt + 1'b1;
98 end
99 //写读秒
100 4'd1: begin
101 i2c_exec <= 1'b1;
102 i2c_addr <= 8'h02;
103 flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
104 i2c_data_w<= TIME_INI[7:0];
105 end
106 4'd2: begin
107 if(i2c_done == 1'b1) begin
108 sec <= i2c_data_r[6:0];
109 flow_cnt<= flow_cnt + 1'b1;
110 end
111 end
112 //写读分
113 4'd3: begin
114 i2c_exec <= 1'b1;
115 i2c_addr <= 8'h03;
116 flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
117 i2c_data_w<= TIME_INI[15:8];
118 end
119 4'd4: begin
120 if(i2c_done == 1'b1) begin
121 min <= i2c_data_r[6:0];
122 flow_cnt<= flow_cnt + 1'b1;
123 end
124 end
125 //写读时
126 4'd5: begin
127 i2c_exec <= 1'b1;
128 i2c_addr <= 8'h04;
129 flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
130 i2c_data_w<= TIME_INI[23:16];
131 end
132 4'd6: begin
133 if(i2c_done == 1'b1) begin
134 hour <= i2c_data_r[5:0];
135 flow_cnt<= flow_cnt + 1'b1;
136 end
137 end
138 //写读天
139 4'd7: begin
140 i2c_exec <= 1'b1;
141 i2c_addr <= 8'h05;
142 flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
143 i2c_data_w<= TIME_INI[31:24];
144 end
145 4'd8: begin
146 if(i2c_done == 1'b1) begin
147 day <= i2c_data_r[5:0];
148 flow_cnt<= flow_cnt + 1'b1;
149 end
150 end
151 //写读月
152 4'd9: begin
153 i2c_exec <= 1'b1;
154 i2c_addr <= 8'h07;
155 flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
156 i2c_data_w<= TIME_INI[39:32];
157 end
158 4'd10: begin
159 if(i2c_done == 1'b1) begin
160 mon <= i2c_data_r[4:0];
161 flow_cnt<= flow_cnt + 1'b1;
162 end
163 end
164 //写读年
165 4'd11: begin
166 i2c_exec <= 1'b1;
167 i2c_addr <= 8'h08;
168 flow_cnt <= flow_cnt + 1'b1;
169 i2c_data_w<= TIME_INI[47:40];
170 end
171 4'd12: begin
172 if(i2c_done == 1'b1) begin
173 year <= i2c_data_r;
174 i2c_rh_wl<= 1'b1;
175 flow_cnt <= 4'd1;
176 end
177 end
178 default: flow_cnt <= 4'd0;
179 endcase
180 end
181 end
182
183 endmodule
程序中第47行的assign语句和第52行的always语句检测按键数据（消抖后）的下降沿，并输出一个时钟周期的脉冲信号（neg_sap）；然后根据neg_sap完成 switch信号的切换，如64~69行所示；最终在第49行根据switch选择传递给数码管显示模块的时间数据（num）。图 30.4.3为采集过程中SignalTap抓取的波形图。从图中可以看到当前读到的时间数据为18年05月23日09： 30： 02。

图 30.4.3 SignalTap波形图[size=14.6667px]

数码管BCD驱动模块的代码如下所示：
1 module seg_bcd_dri(
2 //input
3 input clk , // 时钟信号
4 input rst_n , // 复位信号
5 input [23:0] num , // 6个数码管要显示的数值
6 input [5:0] point , // 小数点具体显示的位置,从高到低,高有效
7 8
//output
9 output reg [5:0] sel , // 数码管位选
10 output reg [7:0] seg_led // 数码管段选
11 );
12
13 //parameter define
14 parameter WIDTH0 = 50_000;
15
16 //reg define
17 reg [15:0] cnt0; // 1ms计数
18 reg [2:0] cnt; // 切换显示数码管用
19 reg [3:0] num1; // 送给要显示的数码管，要亮的灯
20 reg point1; // 要显示的小数点
21
22 //*****************************************************
23 //** main code
24 //*****************************************************
25
26 //计数1ms
27 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
28 if(rst_n == 1'b0)
29 cnt0 <= 15'b0;
30 else if(cnt0 < WIDTH0)
31 cnt0 <= cnt0 + 1'b1;
32 else
33 cnt0 <= 15'b0;
34 end
35
36 //计数器，用来计数6个状态（因为有6个灯）
37 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
38 if(rst_n == 1'b0)
39 cnt <= 3'b0;
40 else if(cnt < 3'd6) begin
41 if(cnt0 == WIDTH0)
42 cnt <= cnt + 1'b1;
43 else
44 cnt <= cnt;
45 end
46 else
47 cnt <= 3'b0;
48 end
49
50 //6个数码管轮流显示，完成刷新（从右到左）
51 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
52 if(rst_n == 1'b0) begin
53 sel <= 6'b000001;
54 num1 <= 4'b0;
55 end
56 else begin
57 case (cnt)
58 3'd0:begin
59 sel <= 6'b111110;
60 num1 <= num[3:0] ;
61 point1 <= point[0] ;
62 end
63 3'd1:begin
64 sel <= 6'b111101;
65 num1 <= num[7:4] ;
66 point1 <= point[1] ;
67 end
68 3'd2:begin
69 sel <= 6'b111011;
70 num1 <= num[11:8];
71 point1 <= point[2] ;
72 end
73 3'd3:begin
74 sel <= 6'b110111 ;
75 num1 <= num[15:12];
76 point1 <= point[3] ;
77 end
78 3'd4:begin
79 sel <= 6'b101111 ;
80 num1 <= num[19:16];
81 point1 <= point[4] ;
82 end
83 3'd5:begin
84 sel <= 6'b011111 ;
85 num1 <= num[23:20];
86 point1 <= point[5] ;
87 end
88 default: begin
89 sel <= 6'b000000;
90 num1 <= 4'b0;
91 point1 <= 1'b1;
92 end
93 endcase
94 end
95 end
96
97 //数码管显示数据
98 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
99 if(rst_n == 1'b0)
100 seg_led <= 7'b0;
101 else begin
102 case(num1)
103 4'd0: seg_led <= {~point1,7'b1000000};
104 4'd1: seg_led <= {~point1,7'b1111001};
105 4'd2: seg_led <= {~point1,7'b0100100};
106 4'd3: seg_led <= {~point1,7'b0110000};
107 4'd4: seg_led <= {~point1,7'b0011001};
108 4'd5: seg_led <= {~point1,7'b0010010};
109 4'd6: seg_led <= {~point1,7'b0000010};
110 4'd7: seg_led <= {~point1,7'b1111000};
111 4'd8: seg_led <= {~point1,7'b0000000};
112 4'd9: seg_led <= {~point1,7'b0010000};
113 default: seg_led <= {point1,7'b1000000};
114 endcase
115 end
116 end
117 endmodule
由于是BCD编码，从低到高每4位二进制数代表一位十进制数，所以在第57行的case语句块中，我们只需把num信号相应位的值赋给num1即可。有关数码管显示更详细的解释可参考“动态数码管显示实验” 。
30.5 下载验证
首先我们打开PCF8563T实时时钟数码管显示实验工程，在工程所在的路径下打开rtc/par文件夹，在里面找到“rtc.qpf” 并双击打开。注意工程所在的路径名只能由字母、数字以及下划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。工程打开后如图 30.5.1所示。

图 30.5.1 PCF8563T实时时钟数码管显示实验工程

然后将下载器一端连电脑，另一端与开发板上对应端口连接，最后连接电源线并打开电源开关。接下来我们下载程序，验证PCF8563的实时时钟数码管显示功能。工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer” 图标打开下载界面，通过“Add File” 按钮选择rtc/par/output_files目录下的“rtc.sof” 文件。开发板电源打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup” ，在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster[USB-0]” 。然后点击“Start” 将工程编译完成后得到的sof文件下载到开发板中，如图 30.5.2所示。