FPGA多功能电子钟44295.pdf

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1、 集美大学毕业设计 闭应明：基于 FPGA 的多功能电子钟 I 基于 FPGA的多功能电子钟 集美大学信息工程学院 电子科学与技术专业 2015届 闭应明 学号：2011850057 摘要 本设计在基于以硬件描述语言 VHDL为基础的 EDA设计方法上，设计中根据系统的功能要求合理划分出层次，进行分级设计和仿真验证，将较为复杂的数字系统逻辑简化为基本的模型从而降低实现的难度。通过层次化的设计方法，自顶向下设计，把不同的功能模块组合到一起，使用 quartus II 工具进行设计编译仿真，最终在在 FPGA 的 DE2_70 开发板上中实现具有基本的年月日、时分秒、农历显示、节气提醒、传统节假日

2、提醒、闹铃闰年提醒等多功能的电子钟 关键字 硬件描述语言VHDL EDA FPGA quartus II DE2_70开发板 多功能电子钟 集美大学毕业设计 闭应明：基于 FPGA 的多功能电子钟 II The multi-function electronic clock of FPGA Bi Yingming NO:2011850057,Electronic science and technology major,2015 Information Engineering College of Jimei University Abstract:This design based on V

3、HDL（hardware description language）and EDA design method,so that we can through the function of the system in the design to divide reasonably into layers,hierarchical design and simulation,and to simplify the complex number system logic as a basic model to reduce the difficulty of implementation.Thro

4、ugh the design method of hierarchical,top-down design,the different function modules were moved together by using the quartus II tool design compiled simulation.Finally,the multi-function electronic clock that can show the date and time，and can warn the Solar terms，Traditional festivals，the leap yea

5、r and the alarm，was realized in DE2_70 development board of FPGA Key words:VHDL hardware description language EDA FPGA the quartus II DE2_70 development board multi-function electronic clock 目录 III 目录 引言.1 第一章 FPGA介绍.3 1.1 FPGA简单工作原理.3 1.2 FPGA应用.3 1.2.1 FPGA的硬件描述语言 VHDL简述.3 1.2.2 FPGA的 DE2_70开发板简述.

6、3 第二章 电子时钟设计.5 2.1 电子钟的功能设计指标.5 2.2 电子钟的整体构造.5 2.2.1 分频模块.6 2.2.2 秒模块.6 2.2.3 分模块.7 2.2.4 小时模块.7 2.2.5 天模块.8 2.2.6 月份模块.9 2.2.7年模块.10 2.2.8 阳历转阴历模块.11 2.2.9 闹铃模块.13 2.2.10 译码转换模块.13 2.2.11 七段数码管和 LCD显示模块.15 2.2.12、传统节假日提醒模块.16 2.2.13 24节气提醒模块.17 2.2.14 定时关机模块.18 2.2.15 l602LCD显示驱动模块.19 2.2.16、顶层模块.2

7、0 第三章 时钟验证.24 3.1 管脚绑定.24 3.2 时间参数一.24 3.3 时间参数二.26 3.4 时间参数三.26 3.5 结果分析.27 总结.29 致谢.30 参考文献.31 附录.32 IV 引言 1 引言 FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array）的缩写，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 器件具有标准化，小型化、多功能、低功耗、高密度、系列化、高速率、低成本，可无限反复编程，并可现场模拟调试验证，设计灵活方便等特点。随着 F

8、PGA芯片的更新和发展，使数字系统的设计迈进了 SOPC时代，而各种IP 核的设计和应用是 SOPC设计的重要特征。除了各 FPGA设计厂商，还有许多第三方的 IC 设计公司将各种 IP 核推向市场，用户可以方便地下载试用，将其集成到自己的系统中。本设计是基于以硬件描述语言 VHDL为基础的 EDA设计方法，在 FPGA芯片上实现多功能电子钟。本设计涉及了 EDA设计的完整流程，可以很方便地通过修改增删，应用于各种基于 FPGA的系统中。闭应明 2 第一章 FPGA 介绍 3 第一章 FPGA介绍 1.1 FPGA基本工作原理 FPGA采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Arra

9、y）这样一个概念，内部包括输出输入模块 IOB（Input Output Block），可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA是由存放在片内 RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将 EPROM中数据读入片内编程 RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的 FPGA编程器，只须用通用的 EPROM、P

10、ROM编程器即可。当需要修改 FPGA功能时，只需换一片 EPROM即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。1.2 FPGA应用 1.2.1 FPGA的硬件描述语言 VHDL简述 VHDL（very High Speed Integrate Circuit Hardware Description Language）是一种标准的硬件描述语言，也可以理解为超高速集成电路硬件描述语言。由于 IEEE标准硬件描述语言，在电子产业中，利用 VHDL进行系统行为级设计已经成为 FPGA和 ASIC的设计主流。一个完整的 VHDL程序，通常包括程

11、序包（package）、库（library）、实体（entity）、结构体（architecture）和配置（configuration）5部分。其中，程序包用于存放各种设计模块的能共赏的数据类型、常数和子程序等；实体用于描述设计实体的外部接口信号（I/O接口）；结构体用于描述设计实体的内部电路；配置用于从库中选取所需的元件，并将其安装到设计单元的实体中；库用于存放已经编译的实体、结构体、包集合和配置。1.2.2 FPGA的 DE2_70开发板简述 DE2_70开发板是基于 FPGA应用的一种多功能运用的电子设备，它采用了Altera Cyclone II 2C70 FPGA芯片，给用户提供了

12、方便，且所有的端口都是由FPGA来驱动，其可以利用硬件描述语言，通过软件编程、仿真、编译、最终下载到开发板上，从而实现具有特定功能的电路。以下对 DE2_70开发板的一些驱动管脚及芯片型号做简单是描述 闭应明 4 图 1 DE2_70开发板 DE2平台上提供的资源如下：1、Altera Cyclone II 系列的EP2C35F672C6 FPGA芯片（板上器件标号U11），该芯片内含35 000个逻辑单元（LE）。2、主动串行配置器件EPCS16（板上器件标号U30）。3、板上内置用于编程调试和用户API设计的USB Blaster，支持JTAG模式和AS模式；U25是实现USB Blast

13、er的USB接口芯片FT245B；U26是用于控制和实现JTAG模式和AS模式的CPLD器件EPM3128，可以通过SW19选择配置模式；USB接口为J9。4、512K字节SRAM（U18）。5、8M字节（1Mx4x16）SDRAM（U17）。6、1M字节闪存（可升级至4M字节）（U20）。7、SD卡接口（U19）。8、4 个按键KEY0 KEY3。9、18个拨动开关SW0 SW17。10、9 个绿色LED灯LEDG0 LEDG8。11、18个红色LED灯LEDR0 LEDR17。12、两个板上时钟源（50MHz晶振Y1和27 MHz晶振Y3），也可通过J5使用外部时钟。13、24位CD品质音

14、频编/解码器WM8371（U1），带有麦克风输入插座J1、线路输入插座J2和线路输出插座J3。14、VGA DAC ADV7123（U34，内含3 个10位高速DAC）及VGA输出接口J12。15、支持NTSC和PAL制式的TV解码器ADV7181B（U33）及TV接口J12。第二章 电子时钟设计 5 第二章 电子时钟设计 2.1 电子钟的功能设计指标 A、支持日历和当日事件提醒两种显示模式；B、具有电子钟的基本功能：年月日显示、是否闰年提示、阴阳历显示、中国传统重要节日 提醒、中国 24 节气提示；C、支持定时自动关机功能；D、支持闹铃功能；E、FPGA基于 DE2开发板。2.2 电子钟的整

15、体构造 本电子时钟系统含有分频模块、计时模块、显示模块、节气提醒模块、闹铃提醒模块、传统节假日提醒模块、定时关机模块，阳历转阴历模块、译码转换模块等。分频器通过晶振得到 1HZ的频率时钟信号，加载到秒模块中，通过异步的计数方式，从而实现时钟计数的驱动。通过译码转换模块，可以实现显示模块和提醒模块的功能，具体的框架图如下图所示：图 2 电子钟结构 闭应明 6 2.2.1 分频模块 详细代码描述见附录分频模块 图 3 管脚说明如下 Clk：50MHZ时钟输入 COUT：1HZ时钟输出 图3 50分频结 构 2.2.2 秒模块 秒模块采用 60 进制，分频模块输出的时钟信号作为该模块的时钟信号 cl

16、ks，每当时钟的上升沿来时，就开始计数，即从 0 计数到 59，之后返 0，再开始计数到 59，如此反复，每当计数到 59 后，都会产生一个进位信号 clk1，这个进位信号作为分模块的时钟信号。当需要设置秒的时间时，可以添加一个设置信号sets，之后 30 作为设定值开始计数。主要代码实现如下：if sets=1 then -调制时间使能信号 qs=30;end if;elsif(clksevent and clks=1)then if(qs=59)then qs=0;clk1=1;-输出分模块时钟信号 elsif qs59 then qs=qs+1;clk1=0;-秒计数 end if;详细

17、代码描述见附录。图 4 管脚说明如下：其中 clks：时钟信号 Sets：校时设置信号 Clks1：进位信号 Qts：输出的秒时钟 图 4 秒计数结构 其仿真波形如下：进位信号 第二章 电子时钟设计 7 图 5 秒模块计数仿真 2.2.3 分模块 分模块也是采用 60 进制，其基本的计数原理和秒模块是一样的，其产生的进位信号 clk2作为小时模块的时钟信号，主要功能代码和秒模块一样，其中设置了一个闹铃控制信号 alarmmn，当 alarmmn=1时，内定的时间就会作为闹铃时间。代码描述见附录分模块。图 6 管脚分布如下：clkmn：时钟信号 Setmn：校时设置信号 alarmmn：闹铃校时

18、设置信号 Clks2：进位信号 mnx、mny：输出信号，作为闹铃的对照信号 Qtmn1、Qtmn2、Qtmn3：输出的分时钟 图 6 分计数结构 其仿真波形如下：图 7 分模块计数仿真 2.2.4 小时模块 小时模块采用的是 24 进制计数，当计数到 23 后，输出计数值会回 0，产生进位信号 clk3作为天模块的时钟信号，其主要的功能代码和分模块一样。代码描述见附录小时模块。图 8 管脚说明如下：其中 clkh：时钟信号 Seth：校时设置信号 Alarmh：闹铃校时设置信号 Clks3：进位信号 闭应明 8 hx、hy：输出信号，作为闹铃的对照信号 Qth1、Qth2、Qth3：输出的小

19、时时钟 其仿真波形如下：图 8 小时计数结构 图 9 小时模块计数仿真 2.2.5 天模块 在天模块中，当上一个模块的时钟信号来临时，如果是闰年，并且是 1、3、5、7、8、10、12、月，day模块开始则从 1 计数到 31，而如果是 2 月，则 day模块开始计时从 1 计数到 29，如果其他月份时，则计数从 1 到 30，之后并输出一个控制信号 clk2控制 month模块，此时 clk2=1，计数到最大值时都会回到 1，然后循环计数，此时 clk2=0。如果是非闰年，并且是 1、3、5、7、8、10、12、月，day模块开始则从 1 计数到 31，而如果是 2 月，则 day模块开始计

20、时从 1计数到 29，如果其他月份时，则计数从 1 到 30，之后并输出一个控制信号 clk2控制 month模块，此时 clk2=1，计数到最大值时都会回到 1，然后循环计数，此时 clk2=0。详细代码描述见附录天模块。核心代码：elsif(clkdevent and clkd=1)then if(yearin rem 4=0)then -当前为闰年 if(monthin=1)or(monthin=3)or(monthin=5)or(monthin=7)or(monthin=8)or (monthin=10)or(monthin=12)then-当前为大月31 天 if(qd=31)the

21、n qd=1;clk2=1;elsif qd31 then qd=qd+1;clk2=0;end if;elsif(monthin=2)then-当前为小月 29 天 if(qd=29)then qd=1;clk2=1;elsif qd29 then qd=qd+1;clk2=0;end if;elsif(monthin=4)or(monthin=6)or(monthin=9)or(monthin=11)then if(qd=30)then qd=1;clk2=1;-当前为中月 30 天 elsif qd30 then qd=qd+1;clk2=0;end if;第二章 电子时钟设计 9 en

22、d if;elsif(monthin=1)or(monthin=3)or(monthin=5)or(monthin=7)or(monthin=8)or(monthin=10)or(monthin=12)then -非闰年大月份31 天 if(qd=31)then qd=1;clk2=1;elsif qd31 then qd=qd+1;clk2=0;end if;elsif monthin=2 then-非闰年小月 28 天 if(qd=28)then qd=1;clk2=1;elsif qd28 then qd=qd+1;clk2=0;end if;elsif(monthin=4)or(mon

23、thin=6)or(monthin=9)or(monthin=11)then-非闰年中月 30 天 if(qd=30)then qd=1;clk2=1;elsif qd30 then qd=qd+1;clk2=0;end if;图 10 管脚说明如下：clkd：时钟信号 Setd：校时设置信号 Yearin:闰年检查信号 Monthin：月份检测信号 Clks2：进位信号 Qtd1、Qtd2、Qtd3、Qtd4：输出的天时钟 图 10 天计数结构 其仿真波形如下：图 11 天模块计数仿真 根据以上图 11 波形图可以知道闰年二月为 29 天，4 月为 30 天，由于条件限制，还有其他月份没有显

24、示出来，这里只截取了部分仿真波形，总的来说，天模块是符合设计要求的。2.2.6 月份模块 在月份模块中，采用 12 进制，计数到 12 后返回 1，并且产生一个进位信号闰年 2 月 29 4 月 30 天 闭应明 10 clk4作为年模块的时钟信号，核心代码和秒模块相似，这里省略，详细代码描述见附录月模块。图 12 管脚说明如下：其中 clkm：时钟信号 Setm：校时设置信号 Alarmm：闹铃校时设置信号 Clks4：进位信号 Qtm1、Qtm2、Qtm3、Qtm4、Qtm5：输出的月份时钟 其仿真波形如下:图 12 月计数结构 图 13 月模块计数仿真 由以上图 13 波形图可以知道，初

25、始设置是 5 月份，当计数到 12 后返回 1，符合月份的规律要求，并且计数到 12 后，产生一个进位作为年模块的时钟输入。2.2.7年模块 当前模块中的时钟信号来临时，年的计数就开始从预定的值开始计数，一直计数到 2099，核心代码和秒模块相似，这里省略，详细代码代码描述见附录年模块。图 14 管脚说明如下：clky：时钟信号 Sety：校时设置信号 Alarmy：闹铃校时设置信号 Qty1、Qty2、Qty3、Qty4、Qty5：输出的年时钟 图 14 年计数结构 其仿真波形如下：第二章 电子时钟设计 11 图 15 年模块计数仿真 根据以上图 15 波形，由于我们只设置了 2015到 2

26、099年的时间，所以年的计数值最大只能到 2099年，如果有需要扩大年份可以自行修改该模块的代码参数。2.2.8 阳历转阴历模块 这个模块能够实现阳历转阴历，程序使用了一个制表的模式，它包含了从2014年到 2099年之间的农历信息，在程序中每一个年份使用23 位的输入作为表述农历月份大小月、农历闰年的的月份以及其大小月、当年春节对应的阳历日期的数据。其中，高四位表示当年闰年的月份，如果为“0000”，表示没有闰月；第 19 位到第 8 位分别对应的是农历 1 月到 12 月的大小月，如果对应的位数为0，则表示当月是小月29 天，否则为大月30 天；第 7 位表示的是闰月份的大小月；第 6 到

27、第 5 位表示的是当年春节对应的月份；最后低五位表示的当年春节对应公历的日期。这个模块只包含了86 个年份的信息数据，但也可以根据需要自行扩充更多的年份。在这个制表中，可能会存在有个别的天数差异而导致对应的日期转换错误，在实验中如果发现存在这些信息错误，可以通过修改制表中对应的错误信息来修正。代码描述见附录阴阳历转换模块。核心代码如下：-节前-if(month1QQ1)or(month1=QQ1 and day1QQ)then-春节前 Tyear=year1-1;Tyear_1=year1-1;-输出的农历年份 day13:=QQ-day1+(QQ1(3 downto 0)-month1(3

28、downto 0)*11111;-当前日期距离春节的总天数 if day13=mmday12 then-天数小于农历 12 月份的天数 Tmonth=000001100;-对应的农历月份输出 Tday=mmday12-day13+1;-对应的农历日输出 Tmonth_1=000001100;Tday_1=mmday12-day13+1;Else-大于 12 月份天数 if Q(23 downto 20)=1100 then-判断 12 月是不是农历闰月 Tmonth=000001100;Tday=mmday12+mmday13-day13+1;Tmonth_1=000001100;Tday_1

29、=mmday12+mmday13-day13+1;闭应明 12 Else-农历 12 月不是闰月 Tmonth=000001011;Tday=mmday12+mmday11-day13+1;Tmonth_1=000001011;Tday_18)loop i:=i-1;j:=j+1;x:=00000000&Q(i);day12:=day12+000011101+x;-当前农历日期距离春节天数 day12 if day12day11 then exit L1;-day11表示当前阳历日期距离春节天数 end if;if Q(23 downto 20)=j then day12:=day12+mda

30、y1;-当前月份是闰月，则加上该闰月天数 mday1 if day12day11 then exit L1;end if;end if;end loop L1;图 16 管脚如下：year1：输入的阳历年份 Month1：输入的阳历月份 Day1：输入的阳历日期 Tyear、tyear_1:输出农历年份 Tmonth、tmonth_1:：输出的农历月份 Tday、Tday_：输出的农历日期 Chu1：除夕的信号提醒，作为传统节日提醒 图 16 阳历转阴历结构 模块的输入信号 其仿真波形如下：图 17 阳历转阴历仿真 由以上图 17 的波形仿真图可以知道，阳历相对应的阴历日期，可以通过手机或者挂

31、历进行对照，发现仿真出来的农历日期和挂历上农历日期是一致的。但是不一定代表对所有的日期都能准确表示，原因在于代码中的个别年份信息记录可能出现错误，如果发现仿真出来的波形存在错误现象，我们可以通过修改代码 第二章 电子时钟设计 13 中个别年份的信息参数即可。总的来说阳历转阴历是可以实现的。在最后输出一个 chu1信号，可以作为除夕的传统节假日提醒。2.2.9 闹铃闰年模块 闹铃模块是通过设置的闹铃时间和当前时间进行对照，进而判断是否有闹铃提醒，即如果当前时间和设置的闹铃时间一致，对应输出就会置 1，否则为 0；在这个模块中还存在闰年的提醒功能，如果输入的年份 run是一个闰年，那么对应出就会置

32、 1，否则为 0。在这个模块中，我们只取分钟和小时的对照时间，代码描述见附录。核心代码：if(run rem 4=0)and(mn1a/=mn2a or h1a/=h2a)then ring=10;-是闰年，提醒 elsif(run rem 4=0)and mn1a=mn2a and h1a=h2a)then ring=11;-闰年，闹铃提醒 elsif(run rem 4/=0)and mn1a=mn2a and h1a=h2a)then ring=01;-闹铃提醒 图 18 管脚说明如下 run：输入月份信号，判断是否闰年 Mn1a、h1a：输入闹铃预置时间信号 Mn2a、h2a：当前时间

33、的信号 Ring：输出信号，“10”表示只有闰年，“01”表示闹铃 “11”表示既是闰年，也有闹铃，否则都没有 图 18 闹铃结构 其仿真波形如下：图 19 闹铃波形仿真 根据 图 19 仿真波形可以知道，当年不存在闰年的时候，当闹铃时间到后，ring1（闰年）为 0，ring0（闹铃）为 1；当年不存在闰年的时候，当闹铃时间到后，ring1（闰年）为 1，ring1（闹铃）为 1；由此可以知道，闰年提醒，闹铃提醒都可以通过此模块来实现。2.2.10 译码转换模块 闹铃提醒 闰年提醒 闭应明 14 添加这个模块，是因为以上的程序都是以整型数据类型存在的，而我们需要把程序下载到 DE2_70开发

34、板中，并使数据能在开发板上显示，我们需要把输入的型数据转换为其他所需要的数据类型，比如说假设 s1=21，则 a1=“0001”，a2=“0010”即对应公式为（a1=s1 rem 10，a2=（s1-a1）/10，同理，mn、h1、d1、m1、y1 也是按照此类公式进行运算；对于 Tday、Tmonth11、Tyear11，由于其是八位的数据类型，在转换时可以先转换成整型数据（即conv_integer(Tday)再调用以上的公式。代码描述见附录译码转换模块。图 20 管脚说明如下：s1：秒输入（整型）Mn1：分输入 h1：小时输入 D1:小时输入 M1：月份输入 Y1：年份输入 Tday1

35、1：农历天输入 Tmonth11：农历月份输入 Tyear11:农历年份输入 A1，a2：分别是秒的个位，秒的十位 B1，b2：分别是分的个位，分的十位 C1，c2：分别是小时的个位，小时的十位 E1，e2：分别是天的个位，天的十位 F1，f2：分别是月份的个位，月份的十位 G1，g2，g3，g4：表示年的个位，十位，百位，千位 H_1,h_2：分别表示农历天的个位，天的十位 图 20 译码结构 I1，i2：分别为农历月的个位，月的十位 J1，j2，j3，j4：分别表示农历年的个位，十位，百位，千位 其波形仿真如下 第二章 电子时钟设计 15 图 21 译码波形仿真 由以上图 21 的波形仿真

36、可以知道，每一个年月日，时分秒的参数都会拆分成一个单独的数，有两位就被拆成两个数，有四位的就被拆成 4 个单独的数，因此可以看出，数的转换是正确的。从而才可以使每一个数分别地通过数码管或者LCD单独显示出来。2.2.11 七段数码管和 LCD显示模块 如图 22 中，该模块其中输入信号 a11到 j14分别对应译码转换模块的输出信号，即从秒的个位开始，一直到年的千位；输出也分别对应转换输出的 num1到 num22，即输出的信号从num1到 num6表示时分秒（数码管显示），从 num7到 num14表示年月日（LCD显示），从 num15到 num22表示农历（LCD显示），由于实验开发板的

37、七段数码管采用了共阳的显示方法，所以在编码时，输出的数字从0 到9 分别对应“11000000”、“11111001”、“10100100”、“10110000”、“10011001”、“10010010”、“10000010”“11111000”、“10000000”、“10011000”（其中的最高位表数码管的点显示，表灭），同时 LCD显示从 09的代码分别表示为“00110000”、“00110001”、“00110010”、“00110011”、“00110100”、“00110101”、“00110110”、“00110111”、“00111000”、“00111001”代码描述见

38、附录。其仿真波形如下：图 22 显示结构 闭应明 16 图 23 显示模块波形仿真 由以上图 23 仿真波形可以知道，每一个数都可以转换成特定的数值，即 a11（秒为个位 1），对应输出 num1（秒数码管显示），e11（天个位 3），对应输出 num7（天个位 LCD显示），这些数值都可以用作数码管或者 LCD的显示，所以显示模块是可以实现的。2.2.12、传统节假日提醒模块 我们知道中国的大部分传统节日一般以农历为对应固定时间，比如春节在一月初一，元宵在一月初十五，端午在五月初五，七夕在七月初七，中原节在七月十五，重阳节在九月九等，但也有部分节日是不固定的，比如清明节，冬至，和除夕。代码描

39、述见该模块附录。图 24 管脚如下说明：Chu，dong，qing：分别是除夕、冬至、清明提醒输入信号 Play：表示输出的对应传统节日的提醒（附录标注对应的提醒）图 24 传统节假日提醒结构 其仿真波形如下：图 25 传统节假日提醒波形仿真 以上图 25 仿真波形可以知道，各个传统节假日到来时，play0play10都会 第二章 电子时钟设计 17 相应出现一个高电平，进而可以判断提醒当前的传统节假日是什么节日。所以节假日提醒是可以实现的。2.2.13 24节气提醒模块 在该模块中，运用了判断 24 节气的运用公式，即日期=Y*D+C-L，其中 Y 是年数的后两位，D为 0.2422，L等于

40、闰年数（当年是闰年并且小于等于二月时L=Y/4-1，否则 L=Y/4)，C 对应的是对于不同年份对应不同气节的因子其中（冬至日 C=21.94，小寒 C=5.4055，大寒 C=20.12，立春 C=3.87,雨水 C=18.73，惊蛰 C=5.63，春风 C=20.646，清明 C=4.81、谷雨 C=20.1，立夏日 C=5.52，小满C=21.04，芒种 C=5.678，夏至 C=21.37，小暑 C=7.108，大暑 C=22.83，立秋 C=7.5，处暑 C=23.13，白露 C=7.646，秋分 C=23.042，寒露 C=8.318，霜降 C=23.438，立冬 C=7.438，

41、小雪 C=22.36大雪 C=7.18）。当算出的日期与当前时钟日期一致时，就会有相应的气节提醒，代码描述见附录，具体看该程序模块 图 26 管脚说明如下：Year、month、day：分别表示年月日输入信号 Qing1、dong1：分别表示当前清明、冬至提醒信号，作为对传统节假日提醒的输入反馈信号 Play_1：表示输出节气的提醒 图 26 节气提醒结构 其仿真波形如下：图 27 节气提醒波形仿真 由以上图 27 的波形仿真，可以知道，1 月 8 号时（小寒），play_1是 00001；2 月 4 号（立春)，play_1是 00010；6 月 21（夏至)，play_1是 10110等；

42、不同的节气，play_1对应不同的数值，具体节气对应数值可以通过附录代码注释。总的来说，该模块的节气提醒是可行的。小寒 立春 夏至 冬至 闭应明 18 2.2.14 定时关机模块 该模块中有控制关机信号 close_timeset，即 1时关机信号有效，并且当当前时间与设定的关机时间一致时，所有的输出不显示，从而达到关机的目的；当控制关机信号为 0 时，则无论当前时间多少，都不会出现关机现象，代码描述见附录。图 28 管脚说明如下：close_timeset：控制关机信号 Hour_set：设定的关机小时 Minute_set:设定的关机分 Hour_current：当前的小时信号 Minut

43、e_current：当前的分钟信号 输入的 Play_1LED1到 ring_play1：受控制的输出信号 输出的 Play_1LED2到 ring_play2：最终输出的 显示信号 图 28 关机结构 该模块仿真波形如下：图 29 关机波形仿真 根据以上 图 29 的仿真波形可以知道，当前时间 12:03分到来时，对应是输出，比如数码管 num1num6都输出 11111111，LED的 play_1LED2（传统节假日）、play_2LED2（节气）、ring_play（闰年闹铃）都输出 0，LCD_rs1输出 0（对 1602LCD写命令），LCD_Data输出 00000001（清屏命

44、令）。可以看出关机时间到来后所有 第二章 电子时钟设计 19 的显示都灭了。所以该模块的功能是可行的。2.2.15 l602LCD显示驱动模块 该模块主要是驱动阳历年月日、农历年月日的显示，使其在实验开发板的1602LCD液晶显示出来。其显示字符格式已经在七段数码管和LCD显示模块中陈述。要使 LCD显示，需要先写命令，即使rs=0，然后再输入命令，其中命令X“01”表示清屏，X”38”表示设置功能：8 位，两行，5 7/每字符；X”0c”表示显示控制：显示开，光标关，光标不闪烁；X”06”表示光标显示地址右移，自动加 1。然后再写数据，即使 rs=1，把需要输出的字符通过 data写入。最后

45、设置显示字符的地址，即使 rs=0，再写入首地址。这些过程都是通过 en 的高脉冲来驱动显示的，所以需要设定 LCD的时钟晶振，为使 LCD能显示，必须保证lcdon和 lcdblon都处在高电平。图 30 管脚说明：Clk_R：液晶 LCD的驱动时钟 Num7p到 num14p：对应天月年 Num15p到 num22p：对应农历天月年 RS：0，写命令；1，写数据 rw：读写信号 en：使能信号 LCDon:电源开关信号 LCDBlon：背光开关信号 Data：8 位的数据 图 30 LCD驱动结构 仿真波形：闭应明 20 图 31 LCD 驱动显示波形仿真 根据 31 波形图可以知道，en

46、 可以产生合适的脉冲来驱动 lcd的工作，lcdon和 lcdblon都处在高电平，rw 处在低电平，当 rs 为 1 时，不断写入 data的数据，rs 为 0时，就写入显示首地址。因此可以看得出，波形的仿真是符合驱动l602LCD的工作条件的。其中看到输入 SC 和 LC 分别表示 solar calendar（阳历），lunar calendar（阴历），而实现格式为 X”53”，X”43”和 X”4C”，X”43”。2.2.16、顶层模块 该模块是通过例化语句，把以上的各个模块组合到一起，最终形成了一个具有多功能的电子钟，并且可以满足设计要求的各个指标，实验最终结果可以在以下的仿真波形

47、以及时钟验证图形看出。图 32 管脚说明：Close_timeset:定时关机控制信号 Hour_set、minute_set：定时关机时间信号 Clk：时钟信号 Set：时间校正控制信号 Alarm：闹铃控制信号 Control：数码管输出选择信号（00 输出时分秒，01输出年月日，11 输出农历）S、mn、h、d、m、y：输出时间（quartus II观察）Num1num22：分别输出秒分时，天月年，农历天月年信号（七段数码管显示）Play_1LED：气节提醒（对应提醒看气节模块）图 4_16_1 电子钟结构 Play_2LED：传统节日提醒（对应提醒看传统节日提 第二章 电子时钟设计 2

48、1 醒模块）Ring_play：闰年和闹铃提醒信号（01 是闹钟提醒，10 是 闰年提醒，11 是闹钟和闰年的提醒）图 32 电子钟结构 其仿真波形如下：1、关机显示 12:34分关机：图 33 电子钟关机波形仿真 由图33可以知道，当时间为34分的时候，电子钟的数码管显示为“1111111”（灭），所有的 LED都是低电平（灭），LCD输入 X“01”，且此刻 rs 为 0（清屏作用）。即所有结果显示都灭了，具有关机的作用小效果。2、年月日时分秒输出，以及数码管输出显示如下图：年月日时分秒计数 数码管显示 传统节日提醒 闰年提醒 关机时间 闭应明 22 图 34 电子钟计数及七段数码管显示波

49、形仿真 由图 34 可以知道，年月日时分秒有计时的作用功能，同时也具有数码管显示的功能，即 num1到 num6对应的输出数据符合数码管显示的要求，在波形上可以知道当天时间是 2016年 6 月 9 号，当天为端午节，play_2LED对应输出的数据就是端午节的提醒，并且 ring_play对应的输出数据对应闰年提醒。3、年月日的 LCD显示输出以及数码管的点显示如下图：图 35 电子钟 LCD 显示波形仿真 由图 35 可以知道，LCD的驱动显示符合驱动要求的条件，同时不需要数码管的点显示。4、闰年闹钟提醒如下图：LCD 的驱动显示 数码管的点控制显示（灭）闰年提醒 闹铃提醒 第二章 电子时

50、钟设计 23 图 36 电子钟闰年闹铃提醒波形仿真 由以上所有的仿真波形可以看出，该电子钟能实现基本电子钟计时功能，也包括阴阳历显示，闹铃闰年提醒，定时关机功能，传统节假日提醒，24 节气提醒等。闭应明 24 第三章 时钟验证 3.1 管脚绑定 输入管脚绑定 Setisw13，alarmisw14，close_timesetisw15，minute_setisw0isw5 Hour_setisw8isw12，clkclk50（AD15)，clk_1clk50（A16)输出管家绑定 Play_1LEDoLEDG（0 to 4）Play_2LEDoLEDR（0 to 10）Ring_playoLE