基于數(shù)字邏輯的多功能計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

成都信息工程學(xué)院電子系 郭在華 馬洪 明楊玲

引言

計(jì)時(shí)器在許多領(lǐng)域中均得到普遍應(yīng)用，諸如在體育比賽、公共汽車到站時(shí)間統(tǒng)計(jì)中需進(jìn)行計(jì)時(shí)和統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)今的計(jì)時(shí)器通常只能通過啟/停按鍵實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)計(jì)時(shí)的功能，即通過啟/停按鍵來記錄一段時(shí)間。這種計(jì)時(shí)器查看的時(shí)間只能為計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)刻。實(shí)際的應(yīng)用中往往需要在不影響正常計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)上，能查看記錄過程中的某些點(diǎn)的時(shí)間，即中途計(jì)時(shí)，如記錄長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員跑每圈所用時(shí)間，以便了解其各階段的情況。本文即針對(duì)此問題，設(shè)計(jì)了一種能通過按鍵方式查看記錄過程中任一時(shí)刻值的計(jì)時(shí)器。這種計(jì)時(shí)器在查看中間值時(shí)不會(huì)影響整個(gè)記錄過程，并且能把相應(yīng)數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)模塊及顯示模塊，以便查看。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)借助于VHDL和數(shù)字邏輯電路，在EDA設(shè)計(jì)工具M(jìn)axplusII下進(jìn)行仿真，得到了良好的結(jié)果。由于采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，使設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單、方便、靈活性強(qiáng)。

計(jì)時(shí)器整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為計(jì)時(shí)器的整體結(jié)構(gòu)框圖。其中Sysreset為電源復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的掉電復(fù)位，在計(jì)時(shí)器開啟時(shí)用到。Reset可對(duì)每次操作進(jìn)行數(shù)值清零復(fù)位，為計(jì)時(shí)做好準(zhǔn)備。clk為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。on/off為計(jì)時(shí)的啟/?？刂菩盘?hào)，計(jì)時(shí)開始時(shí)只需按下該控制信號(hào)。這時(shí)，通過輸出線choose(7 downto 0)來選擇指定的一位LED七段數(shù)碼顯示管，并通過輸出線segment（6 downto 0）來點(diǎn)亮指定位上的某一段。其中，choose(7 downto 0) 以125Hz的頻率使8個(gè)LED數(shù)碼管按次序依次點(diǎn)亮，得到一個(gè)無閃爍的穩(wěn)定的計(jì)時(shí)輸出，計(jì)時(shí)為0.01秒。計(jì)時(shí)完畢，按下on/off控制信號(hào)，終止計(jì)時(shí)操作。該計(jì)時(shí)器長(zhǎng)記錄時(shí)間為24小時(shí)。

當(dāng)進(jìn)行中途計(jì)時(shí)時(shí)，可持續(xù)按住en鍵，此時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘不停，顯示按下en鍵時(shí)刻的時(shí)間，松手后，即跳變回當(dāng)前時(shí)間，不影響記錄過程，可以得到分段計(jì)時(shí)結(jié)果。

根據(jù)計(jì)時(shí)器的功能特點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可劃分為6個(gè)子模塊：鍵輸入模塊，時(shí)鐘分頻模塊，控制模塊，秒表計(jì)時(shí)模塊，計(jì)時(shí)存儲(chǔ)模塊和顯示模塊。各模塊的功能獨(dú)立，可擴(kuò)充性強(qiáng)，具有再次開發(fā)的潛力 。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

模塊設(shè)計(jì)

鍵輸入模塊

計(jì)時(shí)器的輸入控制為按鍵方式，由于手動(dòng)按鍵，會(huì)產(chǎn)生開關(guān)簧片反彈引起的電平抖動(dòng)現(xiàn)象，為保證系統(tǒng)能捕捉到輸出脈沖，在每一個(gè)開關(guān)后面安排一個(gè)消抖和同步電路，以并保證每按一鍵，只形成一個(gè)寬度為系統(tǒng)時(shí)鐘周期的脈沖。圖3即為采用兼具消抖和同步功能的電路，它能產(chǎn)生與系統(tǒng)時(shí)鐘周期相同寬度的1ms時(shí)鐘脈沖。

時(shí)鐘分頻模塊

時(shí)鐘分頻模塊的功能是將頻率為1000Hz的外部時(shí)鐘信號(hào)clk進(jìn)行分頻，從而產(chǎn)生用來消除抖動(dòng)的25Hz的時(shí)鐘信號(hào)clk1和用于計(jì)時(shí)器內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)的100Hz的時(shí)鐘信號(hào)clk0。

由于計(jì)時(shí)器系統(tǒng)使用的時(shí)鐘信號(hào)clk1和時(shí)鐘信號(hào)clk0的有效脈沖寬度均為1ms，則需對(duì)分頻產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理 。本系統(tǒng)將4分頻產(chǎn)生的信號(hào)clk1_tmp與10分頻產(chǎn)生的信號(hào)clk0_tmp相與，來得到有效脈沖寬度為1ms的25Hz時(shí)鐘信號(hào)clk1。

控制模塊

控制模塊的功能是用來控制計(jì)時(shí)模塊的工作。當(dāng)系統(tǒng)電源復(fù)位信號(hào)sysreset或內(nèi)部復(fù)位信號(hào)reset0有效時(shí)，控制模塊的輸出enable信號(hào)無效；當(dāng)reset0和sysreset都無效，且on/off 0有效時(shí)，enable信號(hào)有效，直到下on/off 0有效時(shí)enable才變成無效。（reseto 、on/off0為去抖后的信號(hào)）

在此，采用了一個(gè)乒乓信號(hào)，該信號(hào)在啟停信號(hào)on/off 0有效時(shí)就進(jìn)行反相操作，然后以這個(gè)信號(hào)作為選通信號(hào)，從而得到計(jì)數(shù)允許信號(hào)enable。

秒表計(jì)時(shí)模塊

秒表計(jì)時(shí)模塊用來實(shí)現(xiàn)秒表內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)功能。如圖4所示，該模塊受復(fù)位信號(hào)reset0、使能信號(hào)enable和時(shí)鐘信號(hào)clk0的控制。在使能信號(hào)enable有效時(shí)，計(jì)時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)，并產(chǎn)生相應(yīng)的計(jì)時(shí)輸出和進(jìn)位信號(hào)。模塊內(nèi)部采用三進(jìn)制、四進(jìn)制、十進(jìn)制和六進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)，長(zhǎng)可記錄24小時(shí)。

時(shí)間存儲(chǔ)模塊

時(shí)間存儲(chǔ)模塊的作用是對(duì)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)en鍵未按下時(shí)，系統(tǒng)將計(jì)時(shí)模塊產(chǎn)生的計(jì)時(shí)值送入存儲(chǔ)模塊進(jìn)行鎖存同時(shí)送給顯示模塊進(jìn)行顯示；當(dāng)en鍵按下時(shí)，存儲(chǔ)模塊則不鎖存計(jì)時(shí)值，而保留按鍵時(shí)刻的時(shí)間并送給顯示模塊，實(shí)現(xiàn)中途計(jì)時(shí)的功能。當(dāng)en按鍵復(fù)位時(shí)，存儲(chǔ)模塊再重復(fù)前面的過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)下一中途時(shí)刻進(jìn)行計(jì)時(shí)。

顯示譯碼模塊

顯示模塊用來顯示計(jì)時(shí)模塊輸出的即時(shí)計(jì)時(shí)和中途計(jì)時(shí)結(jié)果。為了降低功耗，采用循環(huán)點(diǎn)亮LED七段顯示數(shù)碼管的方法來顯示計(jì)時(shí)輸出，即用choose(7 downto 0)信號(hào)選擇位顯示，segment(6 downto 0)信號(hào)用以確定相應(yīng)位上顯示的數(shù)據(jù)和段。

如圖5所示，顯示模塊由四個(gè)部分構(gòu)成：八進(jìn)制計(jì)數(shù)器count8、計(jì)時(shí)位選擇電路、七段顯示譯碼電路和顯示位選擇譯碼電路。其中顯示位選擇譯碼電路是根據(jù)八進(jìn)制計(jì)數(shù)count8的計(jì)數(shù)輸出信號(hào)sel，產(chǎn)生用來選通一個(gè)LED七段顯示數(shù)碼管的choose信號(hào)。計(jì)時(shí)位選擇電路則根據(jù)八進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)sel，選擇對(duì)應(yīng)計(jì)時(shí)顯示位的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，確定LED七段顯示數(shù)碼管的segment信號(hào)。

對(duì)于計(jì)時(shí)位選擇電路，由于其輸出端口的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)q的位數(shù)既有2位的、3位的還有4位的，而七段顯示譯碼電路的輸入端口接收四位寬度數(shù)據(jù)，因此在計(jì)時(shí)位選擇電路中還需將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4位寬度的數(shù)據(jù)。

結(jié)束語

本設(shè)計(jì)從總體要求出發(fā)，采用自頂向下逐步細(xì)化的方法，將系統(tǒng)模塊化，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)充性，并且在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用maxplus的仿真環(huán)境得到理想的仿真效果。本設(shè)計(jì)完成的中途計(jì)時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)了在許多特定場(chǎng)合進(jìn)行時(shí)間追蹤的功能，在社會(huì)生活中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。