fpga[1]计数器(附源码)

介绍

计数器电路是在数字电子技术中应用的最多的时序逻辑电路。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。
在许多大型电路中必然有计数器电路的身影，可以说了解并掌握计数器的设计方法是学习fpga的第一步。
本文使用的软件是Quartus II 13.1、modelsim和notepad++,开发板是黑金的AX301。

• 下图是计数器的基本设计流程。

Created with Raphaël 2.3.0 绘制波形图 依照波形图编写rtl代码 仿真验证功能是否正确 上板验证 yes no

1.创建项目文件夹

首先我们先创建一个存放项目的文件夹：

再分别在counter内创建用来存放工程文件、rtl代码和波形图的文件夹：

然后，打开Quartus II软件，新建一个工程文件并存放在我们刚刚建立好的prj文件夹中，命名为counter

我们使用的开发板是黑金AX301搭载的是Cyclone IV E系列的EP4CE6F17C8，选择对应的型号。

为了方便后续的仿真，我们先将仿真软件设置为Modelsim语言为Verilog HDL

2.绘制波形图

对于计数器这个时序逻辑电路来说，需要时钟的驱动，复位方式选择异步复位。
同时，需要定义一个变量cnt来对时钟进行计数（后续需要利用LED来验证代码，此处先将cnt的位宽设置为25），计数值满时将flag进行取反。
最后将文件存放在visio文件夹中

3.编写rtl代码

我们在rtl文件夹下建立名为counter的.v文件

notepad++ 是一款小巧且好用的代码编辑软件，我们在language选项中勾选Verilog语言。
可以看到，notepad++ 对 Verilog语言有了关键字提示。

编写代码如下：

module counter
(
	input			sys_clk	 ,
	input			sys_rst_n,		//输入端口为时钟和复位信号
	
	output		reg flag			//输出端口为计数器计满时的标志信号
);
	parameter	CNT_MAX = 24_999; 		//定义计数最大值，方便后续修改
	
	reg [24:0]	cnt;		//声明一个25位宽的变量cnt
	
	always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)		//复位方式设为异步复位
		if(sys_rst_n == 1'b0)
			cnt <= 25'd0;		//复位信号为低电平时计数变量清零
		else	if(cnt == CNT_MAX)
			cnt <= 25'd0;		//计数器计满时清零
		else 
			cnt <= cnt + 1'b1;	//其他情况对时钟计数
	
	always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
		if(sys_rst_n == 1'b0)
			flag <= 1'b0;		//复位信号为低电平时标志信号设为低电平
		else	if(cnt == CNT_MAX)
			flag <= ~flag;		//计数器计满时将标志信号进行取反
		else 
			flag <= flag;		//其他情况标志信号保持不变

endmodule

在Quartus II中我们进行一次全编译，没有报错。

4.编写testbench代码

为了验证我们的设计，需要编写testbench文件进行仿真验证
我们编写testbench文件，是为了产生满足条件的激励信号，同时对模块的输出进行捕捉，测试输出是否满足要求。
编写代码如下：

`timescale 1ns/1ns		//设置时间参数
module tb_counter();	//模块声明

reg	sys_clk;			
reg sys_rst_n;

wire flag;				//声明端口（将原文件中wire类型和reg类型对换）


initial					//初始化语句
	begin
	sys_rst_n = 1'b0;	sys_clk = 1'b0;		//设置初始参数
	#50		//延迟50个时间单位
	sys_rst_n = 1'b1;	
	end
	always#10 sys_clk = ~sys_clk;			//每10个时间单位sys_clk取反一次
	

counter	counter_inst		//例化语句
(
	.sys_clk	(sys_clk),
	.sys_rst_n	(sys_rst_n),
	
	.flag_0		(flag),
);   

endmodule

将tb_counter文件添加到工程中，并进行编译

结果没有报错

然后使用Quartus & Modelsim 联合仿真
我们可以在Quartus中点击Assignments→Settings→Simulation
在Simulation中的NativeLink Settings中添加文件（）

点击Test Benches添加自己写好的tb文件，这里注意文件名一定要与自己编写的tb_counter文件同名。

完成后回到主页面点击仿真按钮，Modelsim就会被启动，开始仿真

在前面的rtl代码中，我们将CNT_MAX设置为了24_999,方便这部分的仿真
在Instance栏目中我们点击counter_inst 使用ctrl+ W 将添加波形（因为默认的设置无法观察到我们设置的cnt变量）

在波形管理页面我们按住ctrl + A 然后ctrl + G进行分组，方便我们观察

点击这里可以隐藏变量地址

然后点continue run

再查看全局波形

波形如下：

我们需要对局部进行放大，可以看出：
当复位信号有效时（为低电平），cnt未开始计数，复位信号为高电平且时钟上升沿到来时计数开始

每个时钟上升沿到来时cnt增加1（可以右键cnt变量在Radix中选择Unsigned设置为无符号数）

当计数到24_999时cnt清零，且flag翻转


从这里看出来我们的设计是正确的。

为了更好的观察现象，我们把CNT_MAX设置为24_999_999,准备上板验证。

5.上板验证

我们需要绑定管脚，点击File→New→Tcl Script File

为了更容易观察现象，我们将flag信号引到LED0上，Tcl脚本如下

set_location_assignment PIN_E1 -to sys_clk
set_location_assignment PIN_N13 -to sys_rst_n
set_location_assignment PIN_E10 -to flag

将Tcl脚本保存到工程中,然后点击Tools→TCL Scripts→Tcl_script1.tcl

点击Run来执行我们编写好的Tcl脚本

执行成功

我们可以在这里看到管脚连接（也可以直接在该界面绑定管脚）


完成之后，我们进行一次全编译，然后就可以上板验证，点击这个按钮

连接开发板后我们可以在Hardware Settings中看到USB-0，需要进行选择（需要预先安装驱动）

先给开发板上电，然后点击Start
在这里看到，操作成功了

LED0会以亮0.5秒熄灭0.5秒的规律闪烁。

6.总结

本次我们设计了一个计数器，产生了占空比为50%的1Hz方波，以此来控制LED灯的闪烁。后续我们可以通过对1Hz方波进行分频来实现多个LED等按照不同频率闪烁，也可以将计数器作为子模块添加到其他的顶层模块来作为时间基准（1秒），以此来进行其他项目的设计。

工程文件点这下载