基于VHDL語言的超長時(shí)間定時(shí)器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

引言

　　傳統(tǒng)的定時(shí)器硬件連接比較復(fù)雜，可靠性差，而且計(jì)時(shí)時(shí)間短，難以滿足需要。本設(shè)計(jì)采用可編程芯片和VHDL語言進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，不但可使硬件大為簡化，而且穩(wěn)定性也有明顯提高。由于可編程芯片的頻率精度可達(dá)到50 MHz，因而計(jì)時(shí)精度很高。本設(shè)計(jì)采用逐位設(shè)定預(yù)置時(shí)間，其最長時(shí)間設(shè)定可長達(dá)99小時(shí)59分59秒。完全可以滿足用戶的需要，使用也更為方便。

　　
1 系統(tǒng)原理

　　本定時(shí)器的核心器件為EP1C6Q240C8芯片。該芯片有選位、置位、啟動、復(fù)位、倒計(jì)時(shí)等功能，顯示采用2個3位LED數(shù)碼管，并采用共陰接法，可以動態(tài)掃描顯示。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

　　
2 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)共有兩大模塊，分別為控制／定時(shí)模塊和顯示模塊。其中控制／定時(shí)模塊包括按鍵的功能定義和計(jì)時(shí)的邏輯定義。顯示模塊則包括片選模塊、位掃描模塊和數(shù)碼管譯碼模塊。

　　設(shè)計(jì)時(shí)可將秒信號輸入控制／定時(shí)模塊，此時(shí)系統(tǒng)將輸出六個四位BCD碼，以分別表示時(shí)、分、秒位。在預(yù)置數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器可以秒的速度遞增，從而實(shí)現(xiàn)逐位預(yù)置數(shù)；而在定時(shí)倒計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器可以秒的速度遞減，從而實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)。系統(tǒng)中的位選擇器用于對六位進(jìn)行循環(huán)掃描輸出，并將掃描輸出送到譯碼器。譯碼器模塊可對輸入的四位進(jìn)行譯碼，同時(shí)在設(shè)置數(shù)值時(shí)用6個LED燈分別指示其所設(shè)置的位。

　　該系統(tǒng)硬件由兩部分組成，一部分是EPlC6Q240C8芯片，另一部分是按鍵，譯碼器，LED數(shù)碼管，發(fā)光二極管及可編程芯片的支持電路。圖2所示是其AAA控制定時(shí)模塊的引腳排列。其主要功能引腳的定義如下：

　　Setw(置位鍵)：用于選定定時(shí)器所需定時(shí)的對應(yīng)位。發(fā)光二極管對應(yīng)七段數(shù)碼管設(shè)置，當(dāng)選定對應(yīng)的位時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮；

　　Set(置數(shù)鍵)：用于設(shè)置選定位的具體數(shù)值；

　　Start鍵：用于設(shè)定好時(shí)間后啟動秒表計(jì)時(shí)。可通過軟件使start按鍵經(jīng)過鎖存器后進(jìn)人AAA模塊。Start觸發(fā)后可產(chǎn)生持續(xù)的高電平；

　　ALM(揚(yáng)聲器)：可在計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)發(fā)聲報(bào)警；

　　Clr(清零鍵)：用于計(jì)時(shí)器的清零復(fù)位；

　　七段數(shù)碼管用于顯示定時(shí)數(shù)字，set模塊用控制數(shù)碼管的掃描頻率。

3 主要模塊軟件程序

　　圖3所示是該定時(shí)器的軟件系統(tǒng)構(gòu)成。本軟件包括控制／定時(shí)模塊和顯示模塊兩大部分。

　　3.1 控制／定時(shí)模塊

　　AAA控制／定時(shí)模塊是該定時(shí)器的核心部分，該模塊的程序流程圖如圖4所示。

　　當(dāng)START為高電平時(shí)，該定時(shí)器將進(jìn)入倒計(jì)時(shí)階段。當(dāng)CLK脈沖上升沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)以秒的速度減1，直到計(jì)時(shí)結(jié)束，使ALM位為高電平為止。CLR為復(fù)位端，可用來清零，通常采用異步復(fù)位方式。SETW用于選位，高電平有效。SET用于對選定的位進(jìn)行置數(shù)，也是高電平有效。ALM輸出端將在定時(shí)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生高電平。Q0～Q5為四位BCD碼輸出端口，主要用于顯示。

3.2 顯示模塊

　　通過XUAN模塊可完成BCD碼的轉(zhuǎn)化，再經(jīng)DISP模塊譯碼．然后輸出給七段數(shù)碼管。

　　(1)XUAN模塊

　　XUAN可產(chǎn)生四位BCD碼輸入，并從sel端輸出。該模塊的管腳圖如圖5所示。其源程序代碼如下：

　　(2)DISP模塊

　　DISP模塊主要用于譯碼，可定義七段數(shù)碼管顯示的數(shù)字。其源程序如下：

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)果

　　圖6所示是對AAA控制／定時(shí)模塊的仿真結(jié)果。由此結(jié)果可見，當(dāng)setw置“1”時(shí)，statea位選從0到5循環(huán)，分別代表六個數(shù)碼管的位置。當(dāng)start置“1”時(shí)，q5-q0進(jìn)行借位減法。q5、q4表示小時(shí)，最高可到99小時(shí)；q3、q2表示分鐘，最高59分鐘；q1、q0表示秒，最高為59秒。

　　
5 結(jié)束語

　　本設(shè)計(jì)從總體要求出發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了長達(dá)99小時(shí)的定時(shí)設(shè)計(jì)。同時(shí)采用QuartusⅡ4.0仿真環(huán)境進(jìn)行了仿真。結(jié)果證明，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)理想的定時(shí)操作而且設(shè)計(jì)體現(xiàn)了人性化，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。