基于 FPGA Vivado 的数字钟设计（附源工程）

今天给大侠带来基于 FPGA Vivado 的数字钟设计，开发板实现使用的是Digilent basys 3。话不多说，上货。

需要源工程可以在以下资料获取里获取。

资料汇总|FPGA软件安装包、书籍、源码、技术文档…（2023.07.09更新）

本篇掌握基于diagram的Vivado工程设计流程，学会使用IP集成器，添加 IP 目录并调用其中的IP。本篇实现了一个简单的数字钟，能实现计时的功能。由于数码管只有4位，因此本数字钟只能计分和秒。本系统的逻辑部分主要由74系列的IP构成。

获取本篇相关源工程代码，可在公众号内回复“数字钟设计源工程”，本篇涉及到两个操作软件，分别是“Agent软件”和“WaveForms软件”，获取软件安装包，可在公众号内对应回复“WaveForms软件安装包”，“Agent软件安装包”。

操作步骤

1. 创建新的工程项目

1) 双击桌面图标打开Vivado 2017.2，或者选择开始>所有程序>Xilinx Design Tools> Vivado 2017.2>Vivado 2017.2；

2) 点击‘Create Project’，或者单击File>New Project创建工程文件；

3) 将新的工程项目命名为‘lab2’，选择工程保存路径，勾选‘Create project subdirectory’，创建一个新的工程文件夹，点击Next继续；

4) 选择新建一个RTL工程，由于本工程无需创建源文件，故将Do not specify sources at this time(不指定添加源文件)勾选上。点击 Next继续；

5) 选择目标FPGA器件：xc7a35tcpg236-1或Basys3；

6) 最后在新工程总结中，检查工程创建是否有误。没有问题，则点击Finish，完成新工程的创建；

2. 添加已经设计好的IP核

工程建立完毕，我们需要将lab2这个工程所需的IP目录文件夹复制到本工程文件夹下。本工程需要两个IP目录：74LSXX_LIB与Interface。74LSXX_LIB 和Interface都位于\Basys3_workshop\sources\lab2文件夹下

1) 在Flow Navigator中展开PROJECT MANAGER，选择‘Settings’。

2) 在Project Settings栏中展开IP项，选择‘Repository’，点击‘+’添加。

3) 选择之前复制的IP文件夹

4) 确认弹窗提示一共添加了27个IP核

3. 创建原理图，添加IP，进行原理图设计。

1) 在Project Navigator下，展开IP INTEGRATOR，选择‘Create Block Design’创建新的原理图设计。

2) 将新的设计命名为‘digital_clock’。

3) 在原理图设计界面中，主要有两种方式添加IP核：①Diagram窗口上方的快捷键；②在原理图界面中鼠标右击，选择‘Add IP’。

4) 在IP选择框中搜索需要添加的IP，例如74LS90。

5) 按Enter键，或者鼠标双击该IP，可以完成添加。本设计共需要添加4个74LS90，以及74LS08、seg7decimal、clk_div各1个。添加完成后如下图所示：

6) 添加一个clock IP，在IP搜索框中搜索‘clock’，选择‘Clocking Wizard’添加。双击IP进行配置，在‘Output Clocks’一项，设置输出时钟为两路100MHz输出。

7) 在Output Clocks下方，不要勾选‘reset’和‘locked’，点击OK完成IP配置。

8) 再添加一个concat IP，在IP搜索栏中搜索‘concat’并添加。双击IP进行配置，将端口数设为16。

9) 同样的，再添加一个端口数为8的concat IP。至此，我们已经完成添加本设计中所有需要使用的IP。如下图所示：

10) 创建输出端口，鼠标右键选择8位concat的‘dout[7:0]’引脚，选择‘Make External’。

11) 完成后，如下图所示：

12) 同样的，将seg7decimal IP的clr、a_to_g、an、dp这4个引脚，以及clock IP的clk_in1引脚，以及任意一个74ls90 IP的r9_1引脚make external。

13) 修改端口名，双击端口‘r9_1’，在左侧的External Port Properties窗格中将其命名为GND。

14) 同样的，将‘clk_in1’更名为‘clk’，‘dout[7:0]’更名为‘JC[7:0]’，‘a_to_g[6:0]’更名为‘seg[6:0]’，如下图所示：

15) 按照下图连线，可以参考‘连线攻略.txt’文件。

16) 点击图纸上方的按键，验证设计的正确性。

17) 通过验证后，点击OK继续。Ctrl+S保存设计。

18) 在Sources窗格中鼠标右键‘digital_clock’，选择‘Generate Output Products’。

19) 在弹出窗口中，综合选项选择‘Global’，点击‘Generate’继续。

20) 完成后，点击‘OK’继续。

21) 在Sources窗格中鼠标右键‘digital_clock’，选择‘Create HDL Wrapper’。

22) 使用默认选项，点击OK继续，完成HDL文件的创建。

23) 至此，原理图的设计已经完成。

4. 添加约束文件

1） 在Flow Navigator中，展开PROJECT MANAGER，点击‘Add Sources’。

2） 选择‘Add or create constraints’，点击Next继续。

3） 选择‘Add Files’，找到并添加‘Digital_Clock.xdc’文件。注意，要勾选Copy constraints files into project（文件路径：\Basys3_workshop\sources\lab2）

5. 综合、实现、生成比特流文件

1） 实验一已经介绍过流程了，为了节省时间，这里就不一步一步再做赘述了，我们直接在Flow Navigator中展开PROGRAM AND DEBUG，点击Generate Bitstream。Vivado工具会提示没有已经实现的结果，点击‘Yes’，Vivado工具会依次执行综合、实现和生成比特流文件。

2） 完成后，选择‘Open Hardware Manager’打开硬件管理器。

3） 连接Basys3开发板，点击‘Open target’，选择‘Auto connect’。

4） 连接完成后，点击‘Program device’。

5） 检查弹出框中所选中的bit文件，然后点击Program进行下载。

6. 使用逻辑分析仪验证结果

Analog Discovery2(AD2)

1） 按照下图接线，将PMOD 1-4口分别连接AD2 0-3数字I/O口，PMOD 5(GND)口与AD2 GND口连接，PMOD 7-10口分别与AD2 4-7数字I/O口连接。

2） 连接AD2与电脑，打开WaveForms软件，获取WaveForms软件，可以在公众号内部回复“WaveForms软件安装包”。

3） 在工具栏选择Settings>Device Manager，打开设备管理器。

4） 选择连接的设备，点击‘Select’。

5） 在左侧的功能选择栏选择‘Logic’，使用逻辑分析仪。

6） 在窗口中点击‘Click to Add channels’，选择‘Bus’。

7） 将DIO 0-3端口添加到Bus1。

8） 同样的，点击左上角，将DIO 4-7端口添加到Bus2。完成后，如下图所示：

9） 点击‘Run’，观察数字时钟的秒针输出。

OpenScope

1) 按照下图接线，将PMOD 1-4口分别连接OpenScope 1-4数字I/O口，PMOD 5(GND)口与OpenScope GND口连接，PMOD 7-10口分别与AD2 5-8数字I/O口连接。

2) 连接OpenScope与电脑，打开Digilent Agent软件，获取Agent软件，可以在公众号内部回复“Agent软件安装包”。

3) 在Windows工具栏右侧，右键Digilent Agent图标，选择‘Launch WaveForms Live’，在浏览器中打开WaveForms Live。

4) 在浏览器页面中，点击‘ADD A DEVICE’添加设备。

5) 选择AGENT。

6) 输入设备的hostname或者IP地址，点击‘+’按钮添加。

在本地电脑中，默认值为http://localhost:42135

7) 选择连接OpenScope的串口，点击Open打开串口。

8) 使用默认设置，在最下方点击‘DONE’完成添加。

9) 点击打开添加的设备，在界面右侧将Time设置为5s，在Trigger一栏选择OFF。

10) 在界面右侧找到Digital一项，选择ANALYZER，依次点击1-8端口。

11) 点击右上方的‘SINGLE’按钮运行一次，完成后在左侧波形图中可以观察秒针的输出，可以使用鼠标拖动波形，方便观察。