写在前面
前段时间，有几个小伙伴向我请教数字电子钟设计的问题，这个问题我在之前的BCD计数器以及数码管显示问题中已经分开谈过了，既然大家还有需求，不妨在这里集中总结一下！
- 个人微信公众号： FPGA LAB
- 个人博客首页
正文
设计要求
基于模块化的设计思想， 采用 Verilog HDL 语言设计一个能进行时、分、秒计时的二十四小时制的数字电子钟， 并具有整点报时功能。 采用数码管进行时间显示，要求显示格式为：小时-分钟-秒钟。
在 EDA 软件中完成数字电子钟的源代码设计， 并进行仿真， 仿真结果要能够体现出时、分、秒各自的跳变过程， 并且能够给出整点报时控制信号的变化过程。*
1、独立完成设计任务；
2、详细阐述设计方案，绘制系统设计框图；
3、详细阐述系统调试方案，编写测试文件并进行仿真；
4、撰写设计报告。详细阐述设计思想、指标论证、方案确定、结果分析等内容，并对所完成的设计做出总结和评价，对设计过程中遇到的问题及解决方法进行阐述。*
我只关注前面的部分，就是设计一个具有时、分以及秒计时的二十四小时计时器，还具有整点报时，并用数码管显示！
设计思想
首先是时、分以及秒的计数问题，对于分和秒的情况，肯定是用模60计数器，但是你能直接计数到59然后清零吗？包括时计数器，一定是模24计数器，但是你能直接计数到23清零吗？
如果没有数码管显示的需求肯定没问题，我用十进制显示，仿真完美！
但是需要数码管显示的话，我们需要6个数码管，时、分以及秒各需要两个！拿小时计数器来说，由于小时就有两个数字，十分位和个位，使用两个数码管显示小时，第一个数码管显示十分位，第二个数码管显示个位！明显是要将十分位和个位分开显示，需要使用8421BCD码计数器来处理。
如果使用十进制的话，10就相当于0xa，如何显示呢？显示0a，这显示是不直观的，你家的时钟用a，b，c等等显示时间计数，你会不会打死设计师呢！
因此，我们使用8421BCD码来进行计数，这一步完成了就解决了80%的问题！
其次，便是数码管显示的问题，数码管显示时、分以及秒需要6个数码管，我们采用动态扫描的方式来显示，也就是控制片选轮流点亮数码管，只要你轮流的速度足够快，肉眼就会认为所有数码管一直亮！
说了那么多，其实就总结为如下两个主要模块！
- 设计计时模块，用到模60计数器，模24计数器；
- 设计数码管显示模块
我们严格遵守模块化的思想，设计文件结构如下：
仿真文件结构：
设计文件
设计思想已经谈过了，更多的细节请看参考资料，这里给出部分设计文件，如果需要全部设计文件的，可以关注我的微信公众号：FPGA LAB，后台回复：数字时钟，我会发给你资源设计文件链接！
模60计数器
由于分和秒计数都是60进制，因此，模60计数器模块是针对分秒计数功能的！
模60计数器的设计采用的是8421BCD码计数方式，由模10计数器以及模6计数器组成：
//模60计数器的Verilog HDL设计
module counter60(clk, rst_n, en, dout, co);
input clk, rst_n, en;
output[7:0] dout;
output co;
wire co10_1, co10, co6;
wire[3:0] dout10, dout6;
counter10 inst_counter10(.clk(clk), .rst_n(rst_n), .en(en), .dout(dout10), .co(co10_1)); //模10计数器的进位为co10_1
and u3(co10,en,co10_1); //co10_1与en的与为co10
counter6 inst_counter6(.clk(clk), .rst_n(rst_n), .en(co10), .dout(dout6), .co(co6)); //co10_1与en的与为co10,作为模6计数器的使能信号
and u4(co, co10, co6); //模6计数器的进位和模6的使能信号co10的与作为模60计数器的进位
assign dout = {dout6,dout10}; //模60计数器的输出，高位为模6计数器的输出，低位为模10计数器的输出，读法是8421BCD码读法
endmodule
可见，模60计数器例化了模10以及模6计数器，下面给出模10以及模6计数器的设计：
模10计数器
//模10计数器模块
module counter10(clk, rst_n, en, dout, co);
input clk, rst_n, en;
output[3:0] dout;
reg [3:0] dout;
output co;
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
dout <= 4'b0000; //系统复位，计数器清零
else if(en)
if(dout == 4'b1001) //计数值达到9时，计数器清零
dout <= 4'b0000;
else
dout <= dout + 1'b1; //否则，计数器加1
else
dout <= dout;
end
assign co = dout[0]&dout[3]; //当计数达到5(4'b1001)时，进位为1，计数值为其他，都没有进位
endmodule
模6计数器
//模6计数器模块
module counter6(clk, rst_n, en, dout, co);
input clk, rst_n, en;
output[3:0] dout;
reg [3:0] dout;
output co;
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
dout <= 4'b0000; //系统复位，计数器清零
else if(en)
if(dout == 4'b0101) //计数值达到5时，计数器清零
dout <= 4'b0000;
else
dout <= dout + 1'b1; //否则，计数器加1
else
dout <= dout;
end
assign co = dout[0]&dout[2]; //当计数达到5(4'b1001)时，进位为1，计数值为其他，都没有进位
endmodule
如果你觉得这样太繁琐，可以合起来写呀！
再给出模24计数器设计：
//8421BCD码计数器，模24
module counter24(clk, rst_n, en, dout);
input clk, rst_n, en;
output[7:0] dout;
reg[7:0] dout;
always@(posedge clk or negedge rst_n) //异步复位
begin
if(!rst_n) //复位信号有效时，输出清零
dout <= 8'b00000000;
else if(en == 1'b0) //计数使能无效时，输出不变
dout <= dout;
else if( (dout[7:4] == 4'b0010)&&(dout[3:0] == 4'b0011) ) //计数达到23时，输出清零
dout <= 8'b00000000;
else if(dout[3:0] == 4'b1001) //低位达到9时，低位清零，高位加1
begin
dout[3:0] <= 4'b0000;
dout[7:4] <= dout[7:4] + 1'b1;
end
else //上述情况都没有发生，则高位不变，低位加1
begin
dout[7:4] <= dout[7:4];
dout[3:0] <= dout[3:0] + 1'b1;
end
end
endmodule
代码部分就展示到这里吧，全部贴出来占用太多空间，需要全部代码的可以在公众号FPGA LAB 后台回复：数字时钟！
仿真文件
仿真文件再简单不过了，只需要给出使能以及时钟即可！
module digital_clock_tb(
);
reg clk;
reg rst_n;
reg en;
wire [7:0] hour;
wire [7:0] min;
wire [7:0] sec;
wire tweet;
initial begin
clk = 0;
forever begin
#5 clk = ~clk;
end
end
initial begin
rst_n = 0;
en = 0;
# 50
@(negedge clk)
rst_n = 1;
@(negedge clk)
en = 1;
// #10000000 $finish;
end
digital_clock inst_digital_clock(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.en(en),
.hour(hour),
.min(min),
.sec(sec),
.tweet(tweet)
);
endmodule
仿真波形
就到这里吧！
参考资料
- 参考资料1
- 参考资料2
- 参考资料3
- 参考链接4
- 参考链接5
交个朋友
个人微信公众号：FPGA LAB
知乎：李锐博恩
FPGA/IC技术交流2020