超级好帖，步步详解！基于赛灵思FPGA的秒表设计

只看该作者 · 2011-11-5 14:06

“创新网赛灵思中文社区89美元LX9开发板试用活动征文”
拿到板子的时候，还在忙其他比赛，所以没怎么动过。最近交了作品，终于有时间了。下面我准备用LX9开发板来设计一个秒表，详述利用LX9开发板设计一个实用电路的流程。
硬件规划：
先说下秒表的硬件组成，秒表有两个按键，一个用于启动计时和暂停计时，另一个用于清零；秒表的显示用到数码管，两位显示秒，还有两位显示毫秒；最后，就是LX9开发板了，硬件组成框图如下：

首先，根据需要准备好设计所用到的硬件。由于LX9开发板上没有显示器件，而且其按键仅有两个，除了一个用作复位外，实际留给用户的只有一个按键了，所以要对LX9开发板进行扩展。利用开发板上预留的两个PMOD口，我们可以方便的对系统进行扩展。设计需要一个四位七段共阳数码管和两个按键，刚好把我以前做的按键检测和数码管显示模块用上了，如下图，

数码管有七个段选、一个小数点和四个位选，一共需要占用FPGA的12个引脚；按键用到两个，因此占用FPGA的2个引脚；整个模块总共需要14个引脚。LX9上的两个PMOD口一共有16个引脚，完全满足扩展要求。
根据LX9开发板原理图（关于LX9开发板的各种资料可到安富利官方网站： www.em.avnet.com/s6microboard 上下载）可知，两个PMOD与LX9引脚之间的连接关系如下图：

LX9开发板原理图

根据模块引脚之间的关联性进行引脚的分配：数码管七个段选和一个小数点占用PMOD1的8个引脚，按照PMOD1的P1脚对应数码管a段，P2脚对应数码管b段的顺序连接好所有引脚；数码管四个位选和两个按键占用PMOSD2的6个引脚，按照PMOD2的P1脚对应数码管位选1，P2脚对应数码管位选2的顺序连接好引脚，两个按键连接到P7和P8。最后硬件连线如下图：

硬件连线
到此，硬件准备工作完成。
软件设计：
在本设计中，FPGA要实现的功能模块如下：

时钟产生：通过对LX9开发板提供的基本时钟脉冲进行计数，得出为秒表所需的计时脉冲和数码管动态扫描脉冲，分别为5ms和10ms。
数据处理：计时数据处理对来自时钟产生模块的10ms进行计数，得出秒表的毫秒与秒的数据，并送到时间显示模块；按键数据处理不停地对两个按键进行扫描，当检测到有效键值时，就根据键值进行相应的处理。
时间显示：对计时数据处理送来的二进制数据进行处理，使其能在数码管上显示。

下面，开始用ISE 13.2进行设计。
打开ISE，点击File->New Project，新建一个StopWatch的工程文件，如下图

点Next，出现一个新的对话框中，在Family一行选择Spartan6，Device一行选择XC6SLX9，Package一行选择CSG324，由于设计采用Verilog HDL进行开发，故Preferred Language一行选择Verilog，其他可保持默认或者根据需要选择。

点Next，出现如下对话框，确认没有问题后，点Finish。

至此，一个新的空工程文件已经生成。如下：

接着，添加文件到工程中。在Hierarchy区域中，单击右键，选择New Source，如下图

出现如下对话框，选择Verilog Module。根据前面所述顺序，首先设计时钟产生模块，在File Name填上clock，点Next。

出现端口设置对话框，本模块中需要一个时钟输入和两个时钟输出，设置如下：

点Next，出现以下对话框，确认无误后点Finish。

按照上述流程，再添加两个名为stopwatch和sen_seg的文件，添加完成如下：

程序按照上面所述思路进行设计，由于程序不是很复杂，所以不进行仿真。完成后，直接进行顶层模块的设计。
在顶层模块中，用实例语句将上面3个模块连接起来，如下：

最后添加用户约束文件。该文件可以自己编写，或者用PlanAhead，或者直接从安富利网站上下载Avt_S6LX9_MicroBoard_UCF_110804.ucf这个文件，LX9开发板上所用到的引脚都在里面了。下面直接添加该文件到工程中，并根据需要进行相应的修改，并注释或者删除没有用到的引脚定义。
设计中要用到的引脚如下：

为了方便对整组的引脚进行操作，所以将单一的引脚换成数组的形式表示，如上图红圈中所示；为了确保按键在没有按下的时候检测到高电平，所以将两个按键检测的引脚默认设置为上拉状态，即输入为高电平，如上图黑圈所示。

完成上面步骤后，即可进行综合、实现和生成编程文件了。综合（Synthesize）是指将HDL、原理图等设计输入翻译成与门、或门、非门等基本逻辑单元的逻辑连接（网表），并根据目标和要求（约束条件）优化所生成的逻辑连接；实现（Implementation）是指将综合输出的逻辑网表翻译成所选器件的底层模块和硬件原语，将设计映射到器件结构上，进行布局布线，达到在选定器件上实现设计的目的。

为了在LX9开发板上运行所设计的电路，需要生成后缀名为“.bit”的编程文件。选择Hierarchy区域中的顶层文件，则在Hierarchy区域下面的进程区域中

会出现如下信息：

双击Generate Programming File，则ISE会自动进行综合、实现和生成编程文件的操作。以上过程没有问题的话，在Console会出现如下提示：Process "Generate Programming File" completed successfully，说明已经生成编程文件。

最后将生成的文件下载到LX9开发板中，具体操作参考安富利的技术文档：U75_Avnet_Spartan-6_LX9_MicroBoard_Configuration_Guide_v13_2_1.pdf，里面已经详细介绍了三种下载方法。

下载完成后，启动秒表，效果如下：