一、课程设计要求

1、学会应用数字系统设计方法进行电路设计；
2、进一步提高quartus II软件的开发应用能力；
3、提高VHDL进行综合设计的能力；
4、培养学生书写综合实验报告的能力。

二、课程设计要求与题目

2.1 课程设计要求

1、设计平台：quartus II＋HH-SOPC-EP1C12 EDA/SOPC实验开发平台
2、设计方法：利用VHDL代码和/或原理图方法,采用层次化的方法进行设计（至少二层结构）。（功能分解）
3、结果验证：在实验开发平台上下载，验证设计的正确性,模块也需要仿真验证，给出仿真波形。
4、设计报告: A4纸打印，统一封面，封面格式见附件，简单装订。

2.2 课程设计题目

题目：多功能数字钟的设计与实现
1.能进行正常的时、分、秒计时，分别用6个七段数码管动态扫描显示时、分、秒。时时-分分-秒秒
2.利用按键开关快速调整时间（校准）：时、分
3.通过按键开关设定闹铃时间，到了设定时间发出闹铃提示音，提示音长度为1分钟
4.通过按键开关设定倒计时的时间，通过开关启动/暂停倒计时，倒计时为0时发出提示音，提示音长度为1分钟
5.整点报时：
在59分50、52、54、56、58秒时按500Hz频率报时
在59分60秒时用1KHz的频率作最后一声整点报时

三、实验方案分析与设计

3.1 用户使用分析

多功能数字钟需要两个输出模块，一个是动态扫描数字显示，一个是蜂鸣器。
在使用体验上而言，多功能数字钟的输入模块主要有功能选择、置入时间等。
具有基础功能的数字钟是多功能数字钟的“枢纽”。除了倒计时功能，其余功能都与基础数字钟是离不开的。

3.2 各功能所需模块分析

对于最基础的、能显示时间的数字钟功能，需要分频器、计数器、显示器模块。利用这三个模块，可以构成一个独立的、功能单一的数字钟。带调整时间功能的数字钟比起基础数字钟，引入了置数等输入。为了整点报时，我们引入了蜂鸣器模块，在计数器内部的相应状态下会有启动蜂鸣器的信号传给蜂鸣器。一个闹钟需要有调整时间、定时发出声响等功能，也需要一个比较器来比较当前时间是否和闹钟时间相等。倒计时模块相对独立，不需要基础数字钟的相关模块与功能。

3.3 完整电路图

将以上功能、模块集成整合后，我们便可以在quartus平台上做出完成的电路图。其中，有很大一部分模块、功能可以被有效地复用、集成。如各个功能下的动态扫描、蜂鸣器、置数等。所以，我们在设置输入端时，需要有几个输入端实现选择功能的作用。

3.4 管脚锁定

对于动态扫描显示模块，我们只需要正确地锁定位码和段码。管脚锁定图如下所示。sel是位码，seg是段码。

对于置数模块，我们需要4个输入作为8421BCD码输入，一个输入选择/退出置数模式，一个输入控制置入的是小时还是分钟，一个输入控制置入的是个位还是十位。

对于蜂鸣器模块，我们需要将蜂鸣器本身的输出引脚接到N6上。为了分清蜂鸣器准点报时、闹铃、倒计时的功能，我们设置了十二位LED灯显示模块上的输出。当报时、闹铃、倒计时使得蜂鸣器被触发时，相应的LED灯也会亮。A9的灯会在每个小时59分的50/52/54/56/58秒亮，同时蜂鸣器按500hz响。B9的灯会在每个小时0分0秒亮，同时蜂鸣器按1khz响。A10的灯会在倒计时结束时亮，亮一分钟，同时蜂鸣器响一分钟。B10的灯会在闹钟触发时点亮。

倒计时的使能、重置、置数可以独立设计，如图所示。

闹钟的置数功能的开关也需要单独设置

剩余的管脚锁定，从上到下依次为：蜂鸣器开关、1khz时钟信号、时钟的使能端、时钟的复位端。

以下是完整的引脚锁定图。

四、具体实现过程描述

4.1 分频器

分频器输入1khz的时钟信号，并输出成1hz的时钟信号和一个500hz的时钟信号。所以，我们设置两个内部信号，一个内部信号是值为0~999的整数，另一个内部信号的值只能是0和1。
每一个1khz时钟信号到来时，第一个内部信号的计数器+1，第二个内部信号的值翻转。
当第一个内部信号值在0-499之间时，对外输出0。当第一个内部信号值在500-999之间时，对外输出1。这个输出端输出的也是时钟信号，频率就是1hz。
第二个内部信号值为1时，对外输出1。第二个内部信号值为0时，对外输出0。这个输出端输出的也是时钟信号，频率是500hz。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity dev is
port(clk_1khz:in std_logic;--输入为1khz的时钟信号clk_1hz:out std_logic;--输出为1hz的时钟信号，用于计数clk_500hz:out std_logic);--输出为500hz的时钟信号，用于报时
end dev;architecture beha of dev is
signal q1:integer range 0 to 999;--内部信号
signal q2:std_logic;--内部信号
beginprocess(clk_1khz) beginif clk_1khz'event and clk_1khz='1' thenif q1<500 then q1<=q1+1;clk_1hz<='0';--接收到1khz信号后计数，在0-499内输出0elsif q1<999 then q1<=q1+1;clk_1hz<='1';else q1<=0;end if;if q2='0' then q2<='1';clk_500hz<='0';--接收到1khz信号后翻转并输出elsif q2='1' then q2<='0'; clk_500hz<='1';else q2<='0';end if;end if;end process;
end;

4.2 秒计数器

秒计数器与纯粹的60进制计数器略有区别。为了在每个小时的59分的50、52、54、56、58秒能报时，触发蜂鸣器的响声，所以在检测到相应的秒的值时需要给出一个输出信号alarm。其余信号如1hz的时钟信号、reset、使能端、数据输出、进位与60进制计数器相同。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity count_min is
port(clk,rst,en:in std_logic;cc:buffer std_logic_vector(7 downto 0);co:out std_logic;alarm:out std_logic--让蜂鸣器输出
);
end count_min;architecture one of count_min is
begin
process(clk,rst)variable mc1,mc0:std_logic_vector(3 downto 0);beginif rst='1' then --将秒的十位和各位都置成0mc1:=(others=>'0');mc0:=(others=>'0');elsif clk'event and clk='1' thenif en='1' then--使能端为1，正常计数。否则，保持mc0:=mc0+1;co<='0';alarm<='0';if mc0="1010" then--个位是10，则十位进位mc1:=mc1+1;mc0:="0000";end if;if mc1="0101" and mc0="0000" then alarm<='1'; end if;--50秒if mc1="0101" and mc0="0010" then alarm<='1'; end if;--52秒if mc1="0101" and mc0="0100" then alarm<='1'; end if;--54秒if mc1="0101" and mc0="0110" then alarm<='1'; end if;--56秒if mc1="0101" and mc0="1000" then alarm<='1'; end if;--58秒if mc1="0101" and mc0="1001" then--到59秒，给分钟计数器发一个使能信号co<='1';end if;if mc1="0110" and mc0="0000" then--到60秒，则重置成0秒alarm<='0';mc1:="0000";mc0:="0000";end if;else co<='0';	end if;end if;cc<=mc1&mc0;
end process;
end one;

4.3 分计数器

分计数器与纯粹的60进制计数器也略有区别。为了在每个小时的59分的相应秒数按500hz报时，在分钟的十位数为5且个位数为9时输出一个alarm信号。在每个小时的59分59秒，输出一个进位信号。这个进位信号不仅能触发小时计数器，而且能触发蜂鸣器的1khz报时。
置数时，有一个输入信号控制我们置的是十位还是个位。置数时，还有一个输入信号是4位的8421BCD码。置数功能自带对输入的有效性作检测。在个位，若检测到BCD码值为“1010”_{“1111”的无效值，则视为置入了9.在十位，若检测到BCD码值为“0110”}“1111”的无效值，则视为置入了5，因为秒的十位数不能是6只能是5。
其余信号如reset信号、使能信号、时钟信号、数据输出，都与60进制计数器相同。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity count_h is
port(clk,rst,en,ld:in std_logic;alarmhigh:out std_logic;--报时输出cc:buffer std_logic_vector(7 downto 0);co:out std_logic;   ledagnum:in std_logic_vector(3 downto 0);--置入的8421BCD码ledagpos:in std_logic--置数选择置十位还是置个位
);
end count_h;architecture one of count_h is
begin
process(clk,rst,ld)variable mc1,mc0:std_logic_vector(3 downto 0);beginif rst='1' then --复位信号，将分钟重置成0mc1:=(others=>'0');mc0:=(others=>'0');elsif clk'event and clk='1' thenif ld='1' then--置数if(ledagpos='1') thenif(ledagnum>="0110") then--置十位时，若置入大于6的数，则置5mc1:="0101";elsemc1:=ledagnum;--置入0~5的数，则正常置入end if;elsif(ledagpos='0') thenif(ledagnum>="1010") then--置个位时，若置入大于9的数，则置9mc0:="1001";elsemc0:=ledagnum;--正常置入end if;end if;elsif en='1' thenmc0:=mc0+1;co<='0';alarmhigh<='0';if mc0="1010" then--个位发生进位mc1:=mc1+1;mc0:="0000";end if;if mc1="0101" and mc0="1001" thenalarmhigh<='1';--到59分，则放出整点报时信号end if;if mc1="0110" and mc0="0000" then--到60分，则置为0分，进位，使小时计数mc1:="0000";mc0:="0000";alarmhigh<='0';co<='1';end if;else co<='0';	end if;end if;cc<=mc1&mc0;
end process;
end one;

4.4 小时计数器

小时计数器与纯粹的24进制计数器也略有区别。区别主要在置数上。置数时，有一个输入信号控制置的是十位还是个位。若置十位，则不能置入大于2的数。若置个位数，则不能大于9的数。在十位是2的情况下，也不能置入大于3的数，因为24以上的小时的值是不被允许的。
其余信号如reset信号、使能信号、时钟信号、数据输出，都与24进制计数器相同。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;entity count_24 isport(clk,en,rst:in std_logic;cc:out std_logic_vector(7 downto 0);ledagnum:in std_logic_vector(3 downto 0);ledagpos:in std_logic;ld:in std_logic;co:out std_logic);
end count_24;architecture one of count_24 isbeginprocess(clk,rst,ld)variable mc1,mc0:std_logic_vector(3 downto 0):="0000";beginif rst='1' then --复位，将小时和分钟都置为0mc1:=(others=>'0');mc0:=(others=>'0');elsif clk'event and clk='1'thenif ld='1' thenif(ledagpos='1') thenif(ledagnum>"0010") then--置数，小时的十位数大于2时视为置入2mc1:="0010";elsemc1:=ledagnum;end if;elsif(ledagpos='0') thenif(mc1="0010" and mc0>"0011") then--在20多小时，小时的个位数大于3时视为23时，个位置入3mc0:="0011";elsif(mc0>="1010") thenmc0:="1001";--bcd码值大于十时视为置入9elsemc0:=ledagnum;end if;end if;elsif en='1' thenmc0:=mc0+1;if mc0="1010"then--在10小时、20小时mc1:=mc1+1;mc0:="0000";end if;if (mc1="0010")and(mc0="0100")then--在23小时，下一次就进位mc0:="0000";mc1:="0000";co<='1';else co<='0';end if;end if;end if;cc<=mc1&mc0;end process;
end one;

4.5 闹钟设置器

闹钟设置器有时钟端clk，使能端en，置数端ld。输出端是两位8421BCD码。当使能端为0时，整个闹钟模块关闭。当使能端开启时，闹钟模块开启。当置数端为1时，闹钟会根据ledagpos信号选择置入十位还是个位。ledagnum为一位8421BCD码，为置入的数，输入无效时视为置入9。小时和分钟的值都需要一个闹钟设置器。闹钟设置器寄存了闹钟设定的时间。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;entity alarmsetter_m isport(clk,en:in std_logic;cc:out std_logic_vector(7 downto 0);ledagnum:in std_logic_vector(3 downto 0);ledagpos:in std_logic;ld:in std_logic);
end alarmsetter_m;architecture one of alarmsetter_m isbeginprocess(clk,ld)variable mc1,mc0:std_logic_vector(3 downto 0):="0000";begin		if clk'event and clk='1'thenif en='0' thenif ld='1' then--置数if(ledagpos='1') thenif(ledagnum>"0101") then--分钟的十位，最多只能置5mc1:="0101";elsemc1:=ledagnum;end if;elsif(ledagpos='0') thenif(mc0>="1010") then--个位，只能置0~9mc0:="1001";elsemc0:=ledagnum;end if;end if;end if;end if;end if;cc<=mc1&mc0;end process;
end one;

4.6闹钟判断器

输入端为当前的小时数和当前的分钟数、闹钟设定的小时数和闹钟设定的分钟数。若它们对应相等，则对蜂鸣器输入信号。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;entity alarmjudger isport(clk:in std_logic;htime:in std_logic_vector(7 downto 0);--当前小时halarm:in std_logic_vector(7 downto 0);--闹钟小时mtime:in std_logic_vector(7 downto 0);--当前分钟malarm:in std_logic_vector(7 downto 0);--闹钟分钟alarmon:out std_logic);--输出
end alarmjudger;architecture one of alarmjudger isbeginprocess(clk)begin		if clk'event and clk='1'thenif htime=halarm and mtime=malarm then--判断两两相等alarmon<='1';else alarmon<='0';end if;end if;end process;
end one;

4.7 倒计时器

输入端有时钟、复位、使能、置数等，输出有两个8421BCD码表示的秒数、蜂鸣器开启信号。在最后的01秒，输出蜂鸣器开启的信号，以便在下一个时钟信号到来时蜂鸣器发出声音。设置了内部变量，使得倒计时计到0时开始计数，能从0计到60，能够控制蜂鸣器响的时间:60秒。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity countdown is
port(clk,rst,en,ld:in std_logic;--时钟、复位、使能、置数alarmout:out std_logic;--蜂鸣器开启ledagnum:in std_logic_vector(3 downto 0);--设置置入的数ledagpos:in std_logic;--设置置入十位还是个位sout:out std_logic_vector(7 downto 0)--输出当前倒计时
);
end countdown;architecture one of countdown is
begin
process(clk,rst,ld)variable mc10,mc1:std_logic_vector(3 downto 0);variable q1:integer range 0 to 100;--内部变量，beginif rst='1' then --复位，复位成99秒mc10:="1001";mc1:="1001";q1:=0;alarmout<='0';elsif clk'event and clk='1' thenif ld='1' thenif ledagpos='1' then--置十位mc10:=ledagnum;end if;if ledagpos='0' then--置个位mc1:=ledagnum;end if;end if;if ld='0' thenif en='1' thenif (mc1=1 and mc10=0) then--在最后01秒alarmout<='1';mc1:=mc1-1;
q1:=0;elsif mc1=0 thenif mc10=0 then--在0秒，倒计时完成时q1:=q1+1;--计数器，每秒+1，在计了60秒前输出蜂鸣器信号if q1<59 thenalarmout<='1';elseq1:=61;alarmout<='0';end if;	else mc10:=mc10-1;mc1:="1001";--在十的倍数秒end if;elsemc1:=mc1-1;-在十的倍数秒alarmout<='0';end if;	end if;else alarmout<='0';end if;end if;	sout<=mc10&mc1;		
end process;
end one;

4.8蜂鸣控制器

蜂鸣控制器的输出端直接连接着蜂鸣器，输出一个频率信号使得蜂鸣器按这个频率发出声响。在每个小时的59分50/52/54/56/58秒，按500hz发出声响。在每个小时的0分0秒，按1khz发出声响。在闹钟设定的时间，按1khz发出声响。在倒计时结束时，按500hz发出声响。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity xiang is
port(clk_500:in std_logic;clk:in std_logic;en:in std_logic;alarmlow,alarmhigh,alarmco:in std_logic;alarmbyalarm:in std_logic;alarmbycountdown:in std_logic;speaker:out std_logic);
end xiang;	
architecture sss_arc of xiang isbeginprocess(clk)beginif en='1' thenif (alarmlow='1' and alarmhigh='1' and alarmco='0') thenspeaker<=clk_500;end if;if alarmco='1' thenspeaker<=clk;end if;if alarmbyalarm='1' thenspeaker<=clk;end if;if alarmbycountdown='1' thenspeaker<=clk_500;end if;end if;end process;
end;

4.9动态扫描显示器

动态扫描显示器有多个输入，包括时钟信号、小时值、分钟值、秒值。是否正在置数、正在置哪一位数、是否正在置闹钟、是否想显示闹钟、是否在倒计时、显示倒计时等判断都被集成到了动态扫描显示器中。输出有位码和段码，在1khz的时钟信号下，能够正确的输出对应数字。
若当前正在置数，我们则可以设置一个计数器范围为0_{1000，当该变量值为0}500时，对应位置的段码数值为无效值。当该变量值为500~999时，该对应位置的值为当前置入的数值。利用这种做法，我们可以做到：当前正在设置的设置的位置的数在闪烁。
正常情况下，动态扫描显示模块会显示当前时间。当我们调整闹钟时，拨动开关，动态扫描模块显示闹钟时间。当我们调整倒计时时，拨动开关，动态扫描模块显示倒计时时间。闹钟的显示优先级高于倒计时，倒计时显示优先级高于正常时间。
将8位8421BCD码传送至7段显示译码器，然后动态地显示在相应的显示器上。显示器显示的内容受段码和位码的控制，这就是动态扫描显示的原理。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity seltime is
port(clk:in std_logic;h,m,s:in std_logic_vector(7 downto 0);sel:out std_logic_vector(2 downto 0);seg:out std_logic_vector(6 downto 0);isledagging:in std_logic;ledagpos:in std_logic_vector(2 downto 0);isledaggingalarm:in std_logic;alarmh,alarmm:in std_logic_vector(7 downto 0);iscountingdown:in std_logic;countdowns:in std_logic_vector(7 downto 0));
end seltime;
architecture beha of seltime issignal scan_count:std_logic_vector(2 downto 0);signal dat:std_logic_vector(3 downto 0);signal q1:integer range 0 to 999;beginscan:process(clk)beginif clk'event and clk='1' thenscan_count<=scan_count+1;q1<=q1+1;end if;sel<=scan_count;if isledaggingalarm='1' thencase scan_count iswhen "101"=>dat<=alarmm(3 downto 0);when "100"=>dat<=alarmm(7 downto 4);when "011"=>dat<=alarmh(3 downto 0);when "010"=>dat<=alarmh(7 downto 4);when others=>dat<="1100";end case;elsif iscountingdown='1' and isledagging='0' thencase scan_count iswhen "111"=>dat<=countdowns(3 downto 0);when "110"=>dat<=countdowns(7 downto 4);when others=>dat<="1100";end case;elsecase scan_count iswhen "111"=>dat<=s(3 downto 0);when "110"=>dat<=s(7 downto 4);when "101"=>dat<=m(3 downto 0);when "100"=>dat<=m(7 downto 4);when "011"=>dat<=h(3 downto 0);when "010"=>dat<=h(7 downto 4);when others=>dat<="1100";end case;end if;	end process scan;decode:process(scan_count) beginif (isledagging='1' and scan_count=ledagpos and q1<500) thenseg<="0000000";elsecase dat iswhen"0000"=>seg<="0111111";when"0001"=>seg<="0000110";when"0010"=>seg<="1011011";when"0011"=>seg<="1001111";when"0100"=>seg<="1100110";when"0101"=>seg<="1101101";when"0110"=>seg<="1111101";when"0111"=>seg<="0000111";when"1000"=>seg<="1111111";when"1001"=>seg<="1101111";when others=>seg<="0000000";end case;end if;end process decode;
end beha;

4.10 其他辅助模块

地址位码解释模块。我们在输入时，选择位置是按如下办法：一个开关选择调整小时还是分钟，一个开关选择调整十位还是个位。利用这一位码解释模块，我们便能将我们置数的位置解析成位码传给动态扫描显示模块。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity flasher isport(inh,intt:in std_logic;dataout:out std_logic_vector(2 downto 0));
end flasher;
architecture one of flasher isbeginprocess(inh,intt)beginif(inh='1' and intt='1') then--小时的十位dataout<="010";end if;	if(inh='1' and intt='0') then--小时的个位dataout<="011";end if;	if(inh='0' and intt='1') then--分钟的十位dataout<="100";end if;if(inh='0' and intt='0') then--分钟的个位dataout<="101";end if;end process;end;

输入合成模块，将4个二进制输入合成为一个8421BCD码

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity connector isport(in3,in2,in1,in0:in std_logic;dataout:out std_logic_vector(3 downto 0));
end connector;
architecture one of connector isbegindataout<=in3&in2&in1&in0;--将4位二进制数合成BCD码end;	

分配器，选择当前是在调整小时还是在调整分钟。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity ledagger isport(data:in std_logic_vector(3 downto 0);posi:in std_logic;ison:in std_logic;datah:out std_logic_vector(3 downto 0);datam:out std_logic_vector(3 downto 0));end ledagger;
architecture one of ledagger isbeginprocess(ison,posi)beginif (ison='1' and posi='1') then--调整小时datah<=data;datam<="0000";elsif (ison='1' and posi='0') then--调整分钟datam<=data;datah<="0000";elsedatam<="0000";datah<="0000";end if;end process;
end one;

五、结论实现效果

5.1 各模块仿真波形效果

对分频器模块进行波形仿真，我们可以看到：1khz的频率被分成了500hz的频率和1hz的频率。

对秒计数器模块进行波形仿真，我们可以看到：每分钟50/52/54/56/58秒输出报时信号，每分钟59秒给分计数器输出进位信号。

对分计数器进行波形仿真，我们可以看到：每小时59分输出报时信号，以与秒计数器的50/52/54/56/58秒输出500hz的蜂鸣声。每小时60分输出进位信号，以让小时计数器计数，并对蜂鸣器给出报时信号。

对小时计数器进行波形仿真。每记到23，便复位为0，并进位输出，表示一天已经过去了。

对闹钟判断器进行波形仿真。当闹钟设定时间与当前时间的小时与分都对应着相等时，输出信号1.

对倒计时器进行波形仿真。在秒数不为0时，正常往下递减秒数。在秒数为0时，对输出信号1，持续60秒。该信号连接蜂鸣器。如图，首先将倒计时置为11.在11秒后，输出信号1持续了60秒。这对应了倒计时结束时蜂鸣器响一分钟的功能。

对蜂鸣器进行波形仿真。可以看到蜂鸣器频率与其输入频率之间的关系。

5.2整体效果

在将编译完成的QuartusII工程文件下载到机箱后，多功能数字钟便开启运行。
将K1开关拨动到1，就可以看到电子钟开始正常的计时运行。点击S1按钮，便可以将时间重置成从0分0秒开始。
将K2开关拨动到1，就可以开启蜂鸣器。
在每个小时的59分的50/52/54/56/58秒，蜂鸣器按500hz响。在每个小时的0分0秒，蜂鸣器按1khz响。这就是整点报时功能。
将K3开关拨动到1，就开始了调整时间模式。K4开关可以控制用户调整的是小时还是分钟，K5开关可以控制用户调整的是个位数还是十位数。在调整时，相应位置的数字闪烁。K6/K7/K8/K9是从高到低的8421BCD码，通过K6~K9所表示的十进制数可以调节对应位置的时间。
K10开关可以显示闹钟。默认的闹钟时间是22:00。但是，将K3开关拨动到1时K10开关也拨动到1，就可以调整闹钟。调整闹钟的值的办法与上一段调整时间值的办法是一致的。当闹钟设置的时间就是当前时间时，响铃一分钟。
K11开关可以显示倒计时。默认从99秒开始倒计时。将K12开关拨动到1，就可以调整倒计时的时间，调整办法与上文一致。按S2按钮可以重置倒计时。当倒计时为0时，响铃一分钟。