2.2  时钟分频

2.2.1  时钟输入电路

下图2-2为小脚丫FPGA板的时钟输入信 （CLK）电路，输入固有频率为12MHz。晶体振荡器电路能提供精度较高的脉冲信 ，其缺点为输出信 频率由晶振的固有频率决定，最终要得到1HZ的脉冲信 ，必须增加分频电路才能实现。

图2-2  输入频率电路图

2.2.2  分频器

时钟信 的处理是FPGA的特色之一，因此分频器也是FPGA设计中使用频率非常高的设计之一。我们需要对系统时钟进行分频，可用计数的方式。分频频率等于输入信 频率除以分频系数（clk_div = clk/PERIOD）, 占空比为1/ PERIOD(在一个输入信 的周期中)。而输入固有频率为12MHz且占空比为50%，由此可推算出分频参数大约为6000000使其分频出的信 的占空比也为50%，即可通过计数器划为1Hz频率(12000000/1)*50%=6000000，当计数器达到它的时候电平进行翻转，就可以实现结果了。图2-3为分频器的流程图。同时，在产生 警信 时使用了另外一个分频器，但原理和此分频器一致，可以精确地从 警时开始计时。

图2-3  分频器设计流程框图

2.3  按键消抖

按键消抖，通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因此在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。本设计中的“按键消抖”是必不可少的，对于用户的体验也是直线上升。在没有按键消抖下的设计，按键功能是不太靠谱的，常常出现无法正常使用的情况。在本设计中采用通过“延时消抖”方法，可任意设置按键的个数。如图2-4为按键原理图。

图2-4  按键原理图

2.3.1  延时前脉冲边沿检测

检测按键按下时要用到脉冲边沿检测的方法，捕捉信 的突变、捕捉时钟的上升沿或下降沿时经常会用到这种方法。简单地说就是用一个频率更高的时钟去触发要检测的信 ，用两个寄存器去储存相邻两个时钟采集到的值，然后进行异或运算，如果不为零，代表产生了上升沿或下降沿。

在“按键消抖”的过程中，同样运用了脉冲边沿检测。用两个寄存器储存相邻时钟采集的值（例如keypre,key）,然后将data取反与前一个值相与（state=keypre&（~key））,如果为1则判断有下降沿，即按键按下由高到低；否则无变化。

将一个信 由连续时钟采集，相邻两个钟触发的值存入两个寄存器。此时利用了非阻塞赋值的特点，经过两个时钟触发，key_rst存储的是当前时刻key的值，key_rst_pre存储的是前一个时钟的key的值。图2-3为按键状态的存储流程图。脉冲边沿检测：key_edge= key_rst_pre & (~key_rst)。当key检测到下降沿时，key_edge产生一个时钟周期的高电平。

图2-5  按键状态存储流程图

2.3.2  产生延时

当检测到key_edge有效是计数器清零开始计数。（[17:0] cnt）产生延时所用的计数器，系统时钟12MHz，要延时20ms左右时间，至少需要18位计数器。如图2-6为延时流程图。

图2-6  延时流程图

2.3.3  延时后检测按键

如果按键状态变低产生一个时钟的高脉冲。如果按键状态是高的话说明按键无效。通过两个寄存器：key_sec_pre和key_sec，当延时结束后将第一次上key_sec赋值。如图2-7为延时后按键存储的流程图。

图2-7  延时后按键存储流程图

与此同时，检测电平寄存器变量key_sec_pre会存储key_sec的值。如图2-8。

图2-8  电平按键存储流程图

通过边沿检测，输出信 key_pulse = key_sec_pre & (~key_sec)。得到“按键消抖”后的按键值。

2.4  倒计时

该模块为此设计的核心部分，完成对数码管的动态显示和倒计时的功能实现。首先，完成对数码管的显示值进行编码。其为两个七段数码管，并且显示0-F的值，通过初始化的方式将写入16位寄存器seg中。需要设置时所使用的“个”与“十”寄存器、供其显示的“个”与“十”寄存器、输入分频的脉冲信 和输入信 、输出的两个数码管的寄存器和状态标志位。每当分频脉冲信 为高电平且开始标志为高电平时进入倒计时，每次对“个”寄存器进行减1。当个位为0时先判断十位是否为0，如果为0倒计时结束发出 警通过数码管显示“FF”，并伴有RGB灯和LED流水灯的显示效果，否则十位减1。如此循环则进入倒计时。

2.4.1  数码管设计

数码管是工程设计中使用很广的一种显示输出器件，此开发板为两个7段数码管组成，每个数码管分别由a、b、c、d、e、f、g和表示小数点的dp组成。如图2-9为数码管原理图。

 图2-9  数码管原理图

下图2-10为7段数码管原理图。

图2-10  7段数码管原理图

数码管实际上是由8个led灯组成。共阴极8段数码管的信 端低电平有效，可以控制输出信 控制FPGA的管脚进而使数码管显示。如下表2-1所示。

表2-1  数码管显示表

数码管可正常显示倒计时，并且同步用户操作的“数码管”显示功能。在状态0时，当计数的“个”与“十”寄存器发生变化将会触发“数码管”显示保存的操作。在状态1时，当设置的“个”与“十”寄存器发生变化将会触发“数码管”显示当前数的操作。在 警时和 警后正常显示“FF”。如图2-11为倒计时功能流程图。

图2-11  倒计时流程图

2.5  按键控制模块

此前，我们已经对按键进行了“消抖”处理，接下来对四个按键的功能进行了划分。按键1具有中断计数和设置数加1的功能、按键2具有开始计时、暂停计时和设置数减1的功能、按键3具有复位的功能以及按键4具有选择功能状态的功能。以此规划按键，可以节省不少资源，设置好按键值后可自动保存倒计时的值，从而使得倒计时可以通过按键操作实现设置0-99的倒计时数。当按下按键时，KEY导通，对应为上升沿。所以敏感信 为上升沿触发，并且各按键设置有标志位，用于协调系统的运行。例如，通过状态位来控制各个按键的具体功能是什么，是设置还是计时。如图2-11为按键电路图。这里只介绍设置个和十位寄存器的部分。

图2-12  按键电路

2.5.1  按键规划

规划按键在本设计中存在一定问题，但根据实际使用来说已是够用，且有一定的人机交互体验。如图2-12为按键框图。

图2-13  按键框图

2.5.2  设置部分

当按键1或按键2操作时对应进行加减，当遇到其为0或9时进行判断处理来设置个位寄存器和十位寄存器。如图2-13为设置部分流程图。

图2-14  设置部分流程图

2.6  RGB灯模块

RGB灯实际上是由三基色红绿蓝组成，在电路中由三个LED灯组成一个RGB灯。如图2-13为RGB电路原理图。当FPGA对应引脚产生低电平时，对应灯点亮。对其进行编码可以组成23 = 8种色，在设计中只使用了三基色闪烁，并且随着 警的计数值变化。

图2-15  RGB灯电路

根据需求对输入进行编码。如表2-2。

表2-2  RGB显示表

2.7  流水灯模块

流水灯电路由8个LED灯组成，且当FPGA引脚在处于低电平时导通LED灯使其点亮。本设计模拟 警系统，在计数状态和 警结束后显示1个LED灯，在 警过程中所有LED灯点亮。

图2-16  流水灯电路

第3章  基于小脚丫FPGA的Quartus II使用

3.1  配置

使用不同型 的FPGA配置也是不同的，不仅要对应芯片的类型，还要将软件所定义的输入与输出对应于硬件的管脚。此设计使用的开发板兼容Quartus，并且安装了相应的器件包，对于开发来说是一件容易的事。

3.1.1  设备的配置

在下载程序前对设备进行配置。如下图3-1，选择10M08SCM153I7G，修改I/O standard为3.3-V LVTTL，修改Reserve all unused pins为as input tri-stated with weak pull-up。

图3-1  硬件配置

3.1.2  管脚的配置

在Assignments->Pin Planer中配置管脚信息，可用手输入也可使用text文件导入等，但其实工作量差不多，如果为copy别人的项目或者任务分工来说这样会大大缩短开发时间。下图3-2对应了FPGA管脚的配置，根据提供的手册中的管脚分布图可自由分配管脚。

图3-2  管脚配置

3.2  RTL视图

在Tools->Netlist Viewers->RTL Viewer中打开可观察各模块之间的关系，使用者可分析原理图的结果与所设想中的设计一致，可以校验代码的正确性，排除一些简单问题的错误。

图3-3  RTL视图

例如，下图3-4为时钟分频模块结构图。

图3-4  时钟分频RTL图

3.3  程序下载

如果拥有开发板，并且可以有烧录程序，下载时间也不算特别长。我们可以把测试的部分往后稍稍，先将代码送入开发板，观察板子的具体运行状态。

开发板使用的是USB-Blaster，在软件目录中有驱动程序的安装文件。

第一步，打开Tools->Programmer，硬件选择USB-Blaster。

第二步，点击Add File，在output files文件夹中选择“.pof”文件。

第三步，选中Program/Configure和Verify并点击Start，开始烧录。如下图为已下载成功。如下图3-5程序下载图。

图3-5  程序下载图

该设计为本人电子课程设计。

完整代码及说明连接：https://download.csdn.net/download/qq_42047541/12093274