秒表功能
一、项目背景
同上一个项目。
二、设计目标
开发板或者模块是有 8 位数码管，本次设计需要使用1个数码管，即数码管0，实现类似于秒表的功能，具体要求如下：
复位后，数码管0显示数字0并持续1秒；然后显示数字1并持续2秒；然后显示数字2并持续3秒；以此类推，最后是显示数字9并持续10秒。然后再次循环
上板效果图如下图所示。
上板的演示效果，请登陆网址查看：www.mdy-edu.com/xxxx。
三、模块设计
我们要实现的功能，概括起来就是控制8个数码管，其中数码管0亮，其他数码管不亮。并让数码管0显示不同的数字。
要控制8个数码管，就需要控制位选信号，即FPGA要输出一个8位的位选信号，设为seg_sel，其中seg_sel[0]对应数码管0，seg_sel[1]对应数码管1，以此类推，seg_sel[7]对应数码管7。
要显示不同的数字，就需要控制段选信号，不需要用到DP，一共有7根线，即FPGA要输出一个7位的段选信号，设为seg_ment，seg_ment[6]~segm_ment[0]分别对应数码管的abcdefg（注意对应顺序）。
我们还需要时钟信号和复位信号来进行工程控制。
综上所述，我们这个工程需要4个信号，时钟clk，复位rst_n，输出的位选信号seg_sel和输出的段选信号seg_ment。
信号线 信号线 FPGA管脚 内部信号
SEG_E SEG0 Y6 seg_ment[2]
SEG_DP SEG1 W6 未用到
SEG_G SEG2 Y7 seg_ment[0]
SEG_F SEG3 W7 seg_ment[1]
SEG_D SEG4 P3 seg_ment[3]
SEG_C SEG5 P4 seg_ment[4]
SEG_B SEG6 R5 seg_ment[5]
SEG_A SEG7 T3 seg_ment[6]
DIG1 DIG_EN1 T4 seg_sel[0]
DIG2 DIG_EN2 V4 seg_sel[1]
DIG3 DIG_EN3 V3 seg_sel[2]
DIG4 DIG_EN4 Y3 seg_sel[3]
DIG5 DIG_EN5 Y8 seg_sel[4]
DIG6 DIG_EN6 W8 seg_sel[5]
DIG7 DIG_EN7 W10 seg_sel[6]
DIG8 DIG_EN8 Y10 seg_sel[7]
我们先分析要实现的功能，数码管0显示数字0，翻译成信号就是seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为7’b000_0001。然后数码管0显示数字1，也就是说seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为7’b100_1111。以此类推，数码管0显示数字9，就是seg_sel的值为8’b1111_1110，seg_ment的值为7’b000_0100。
seg_sel一直为8’hfe，不变化。seg_ment隔一段时间后会变化，而这个时间在不同时期还不相同。把时间信息补充上，得到下面的波形示意图。
上图就是seg_sel和seg_seg信号的变化波形图。在显示第1个时，seg_sel=8’hfe，seg_ment=7’h01并持续1秒；在第2个时，seg_sel=8’hfe，seg_ment=7’h4f并持续2秒；以此类推，第8个时，seg_sel=8’hfe，seg_ment=7’h04并持续10秒。然后又再次重复。
由波形图可知，我们需要1个计数器用来计算时间，如2秒、3秒等。另外，我们还需要一个计数器，用来计算在第几个阶段中。所以总共需要2个计数器。
本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到2_000_000_000/20=100_000_000个，我们就能知道2秒时间到了。以类类推，在第2次时，数到150_000_000个，就知道了3秒时间到。第9次时，数到500_000_000个，就表示10秒时间到。另外，由于该计数器是不停地计数，永远不停止的，可以认为加1条件一直有效，可写成：assign add_cnt0==1。综上所述，结合变量法，该计数器的代码如下
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt0 <= 0;
end
else if(add_cnt0)begin
if(end_cnt0)
cnt0 <= 0;
else
cnt0 <= cnt0 + 1;
end
end
assign add_cnt0 = 1 ;
assign end_cnt0 = add_cnt0 && cnt0== x-1 ;
第二个计数器用于表示第几个，很自然可以看到，每个阶段完成后，该计数器加1，因此加1条件可为end_cnt0。该计数器一共要数10次。所以代码为：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt1 <= 0;
end
else if(add_cnt1)begin
if(end_cnt1)
cnt1 <= 0;
else
cnt1 <= cnt1 + 1;
end
end
assign add_cnt1 = end_cnt0;
assign end_cnt1 = add_cnt1 && cnt1== 10-1 ;
接下来设计seg_sel。该信号一直为8’hfe，所以代码直接写成如下：
1 assign seg_sel = 8'hfe ;
我们来思考输出信号seg_ment的变化。概括起来，在第1次的时候输出值为7’h01；在第2次的时候输出值为7’h4f；以此类推，在第8次的时候输出值为7’h0f。我们用信号cnt1来代替第几次，也就是：当cnt1==0的时候，输出值为7’h01；在cnt1==1的时候输出值为7’h4f；以此类推，在cnt1==9的时候输出值为7’h04。再进一步翻译成代码，就变成如下：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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29
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31
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33
34
35 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
seg_ment <= 7'h01;
end
else if(cnt1==0)begin
seg_ment <= 7'h01;
end
else if(cnt1==1)begin
seg_ment <= 7'h4f;
end
else if(cnt1==2)begin
seg_ment <= 7'h12;
end
else if(cnt1==3)begin
seg_ment <= 7'h06;
end
else if(cnt1==4)begin
seg_ment <= 7'h4c;
end
else if(cnt1==5)begin
seg_ment <= 7'h24;
end
else if(cnt1==6)begin
seg_ment <= 7'h20;
end
else if(cnt1==7)begin
seg_ment <= 7'h0f;
end
else if(cnt1==8)begin
seg_ment <= 7'h00;
end
else if(cnt1==9)begin
seg_ment <= 7'h04;
end
end
然后，用组合逻辑把x的值确定下来。
1
2
3
4
5
6
7
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29
30
31
32 always @(*)begin
if(cnt1==0)begin
x = 50_000_000;
end
else if(cnt1==1)begin
x = 100_000_000;
end
else if(cnt1==2)begin
x = 150_000_000;
end
else if(cnt1==3)begin
x = 200_000_000;
end
else if(cnt1==4)begin
x = 250_000_000;
end
else if(cnt1==5)begin
x = 300_000_000;
end
else if(cnt1==6)begin
x = 350_000_000;
end
else if(cnt1==7)begin
x = 400_000_000;
end
else if(cnt1==8)begin
x = 450_000_000;
end
else if(cnt1==9)begin
x = 500_000_000;
end
end
此次，主体程序已经完成。接下来是将module补充完整。
将module的名称定义为my_time。并且我们已经知道该模块有4个信号：clk、rst_n、seg_sel和seg_ment，代码如下：
1
2
3
4
5
6 module my_time(
clk ,
rst_n ,
seg_sel,
seg_ment
);
其中clk、rst_n是1位的输入信号，seg_sel是8位的输出信号，seg_ment是7位的输出信号，根据此，补充输入输出端口定义。代码如下：
1
2
3
4 input clk ;
input rst_n ;
output [7:0] seg_sel ;
output [6:0] seg_ment ;
接下来定义信号类型。
cnt0是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt0计数的最大值为500_000_000，需要用29根线表示，即位宽是29位。add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：
1
2
3 reg [28:0] cnt0 ;
wire add_cnt0 ;
wire end_cnt0 ;
cnt1是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt1计数的最大值为9，需要用4根线表示，即位宽是4位。add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：
1
2
3 reg [3:0] cnt1 ;
wire add_cnt1 ;
wire end_cnt1 ;
seg_sel是用assign方式设计的，因此类型为wire，其一共有8根线，即位宽为8。因此代码如下：
1 wire [7:0] seg_sel ;
seg_ ment是用always方式设计的，因此类型为reg，其一共有7根线，即位宽为7。因此代码如下：
1 reg [6:0] seg_ment ;
x是用always方式设计的，因此类型为reg，他的位数和cnt0是一致的。
1 reg [28:0] x ;
至此，整个代码的设计工作已经完成。整体代码如下：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
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18
19
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45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
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56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
module miaobiao(
clk ,
rst_n ,
seg_sel,
seg_ment
);
input clk ;
input rst_n ;
output [7:0] seg_sel ;
output [6:0] seg_ment ;
reg [28:0] cnt0;
reg [3:0] cnt1;
wire add_cnt0;
wire end_cnt0;
wire add_cnt1;
wire end_cnt1;
wire [7:0] seg_sel ;
reg [6:0] seg_ment ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt0 <= 0;
end
else if(add_cnt0)begin
if(end_cnt0)
cnt0 <= 0;
else
cnt0 <= cnt0 + 1;
end
end
assign add_cnt0 = 1;
assign end_cnt0 = add_cnt0 && cnt0== 50000000-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt1 <= 0;
end
else if(add_cnt1)begin
if(end_cnt1)
cnt1 <= 0;
else
cnt1 <= cnt1 + 1;
end
end
assign add_cnt1 = end_cnt0;
assign end_cnt1 = add_cnt1 && cnt1==10-1 ;
assign seg_sel = 8'hfe;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
seg_ment <= 7'h01;
end
else if(cnt1==0)begin
seg_ment <= 7'h01;
end
else if(cnt1==1)begin
seg_ment <= 7'h4f;
end
else if(cnt1==2)begin
seg_ment <= 7'h12;
end
else if(cnt1==3)begin
seg_ment <= 7'h06;
end
else if(cnt1==4)begin
seg_ment <= 7'h4c;
end
else if(cnt1==5)begin
seg_ment <= 7'h24;
end
else if(cnt1==6)begin
seg_ment <= 7'h20;
end
else if(cnt1==7)begin
seg_ment <= 7'h0f;
end
else if(cnt1==8)begin
seg_ment <= 7'h00;
end
else if(cnt1==9)begin
seg_ment <= 7'h04;
end
end
always @(*)begin
if(cnt1==0)begin
x = 50_000_000;
end
else if(cnt1==1)begin
x = 100_000_000;
end
else if(cnt1==2)begin
x = 150_000_000;
end
else if(cnt1==3)begin
x = 200_000_000;
end
else if(cnt1==4)begin
x = 250_000_000;
end
else if(cnt1==5)begin
x = 300_000_000;
end
else if(cnt1==6)begin
x = 350_000_000;
end
else if(cnt1==7)begin
x = 400_000_000;
end
else if(cnt1==8)begin
x = 450_000_000;
end
else if(cnt1==9)begin
x = 500_000_000;
end
end
endmodule
下一步是新建工程和上板查看现象。
四、综合工程和上板
新建工程
首先在d盘中创建名为“miaobiao”的工程文件夹，将写的代码命名为“miaobiao.v”,顶层模块名为“miaobiao”。
然后打开Quartus Ⅱ，点击File下拉列表中的New Project Wzard...新建工程选项。
3.再出现的界面中直接点击Next。
4.之后出现的是工程文件夹、工程名、顶层模块名设置界面。按照之前的命名进行填写，第一栏选择工程文件夹“miaobiao”，第二栏选择工程文件“miaobiao”，最后一栏选择顶层模块名“miaobiao”,然后点击”Next”，在出现的界面选择empty project。
5.之后是文件添加界面。添加之前写的“miaobian.v”文件，点击右侧的“Add”按钮，之后文件还会出现在大方框里，之后点击“Next”。
器件型号选择界面。选择Cyclone ⅣE，在芯片型号选择处选择EP4CE15F23C8，然后点击“Next”。
EDA工具界面。直接点击“Next”。
8.之后出现的界面是我们前面设置的总结，确认无误后点击“Finish”。
综合
1.新建工程步骤完成后，就会出现以下界面。在“Project Navigator”下选中要编译的文件，点击上方工具栏中“Start Compilation”编译按钮（蓝色三角形）。
2.编译成功后会出现一下界面。
配置管脚
1.点击箭头所指的管脚配置按钮“Pin Planner”，进入管脚配置界面。
2.在下图location处双击填上对应的管脚号，管脚号可参照整体代码下方的管脚配置，回车即可。
管脚配置：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
1
set_location_assignment PIN_G1 -to clk
set_location_assignment PIN_AB12 -to rst_n
set_location_assignment PIN_T3 -to seg_ment[6]
set_location_assignment PIN_R5 -to seg_ment[5]
set_location_assignment PIN_P4 -to seg_ment[4]
set_location_assignment PIN_P3 -to seg_ment[3]
set_location_assignment PIN_Y6 -to seg_ment[2]
set_location_assignment PIN_W7 -to seg_ment[1]
set_location_assignment PIN_Y7 -to seg_ment[0]
set_location_assignment PIN_Y10 -to seg_sel[7]
set_location_assignment PIN_W10 -to seg_sel[6]
set_location_assignment PIN_W8 -to seg_sel[5]
set_location_assignment PIN_Y8 -to seg_sel[4]
set_location_assignment PIN_Y3 -to seg_sel[3]
set_location_assignment PIN_V3 -to seg_sel[2]
set_location_assignment PIN_V4 -to seg_sel[1]
set_location_assignment PIN_T4 -to seg_sel[0]
布局布线
管脚配置完成后，在进行一次编译。
连接开发板
图中，下载器接入电脑USB接口，电源接入电源，然后摁下蓝色开关。
上板
1.双击Tasks一栏中”Program Device”。
2.会出现如下界面，点击add file添加.sof文件，点击“Start”，会在“Progress”出显示进度。
3.进度条中提示成功后，即可在开发板上观察到相应的现象。
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楼主
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标题高亮
