【每周FPGA案例】至简设计系列_闹钟编号：001600000064

明德扬吴老师 · 发表于 2020-7-22 15:05:58

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至简设计系列_闹钟
本案例的编号为：001600000064如果有疑问，请按编号在下面贴子查找答案：MDY案例交流【汇总贴】_FPGA-明德扬科教 (mdy-edu.com)

本文为明德扬原创及录用文章，转载请注明出处！闹钟

【上板现象】

闹钟在MP801开发板效果

https://www.bilibili.com/video/BV1Af4y117H4?p=12

闹钟在点拨开发板上板效果

https://www.bilibili.com/video/BV1Af4y117H4?p=13

1.1 总体设计1.1.1 概述

数字时钟是采用数字电路技术实现时、分、秒计时显示的装置，可以用数字同时显示时，分，秒的精确时间并实现准确校时，具备体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求高、高精确性、容易开发等特性，在工业控制系统、智能化仪器表、办公自动化系统等诸多领域取得了极为广泛的应用，诸如自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自定启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电器的自动启用等。与传统表盘式机械时钟相比，数字时钟具有更高的准确性和直观性，由于没有机械装置，其使用寿命更长。

1.1.2 设计目标

设计一款具有闹钟功能的数字时钟，具体要求如下

1、用8个数码管实现，四个一组，每组有分钟和秒。左边一组是时间显示，右边一组用来做闹钟时间。

2、当左边时间等于右边时，蜂鸣器响5秒。

3、闹钟时间和显示时间均可通过3个按键设置。设置方法：按下按键1，时钟暂停，跳到设置时间状态，再按下按键1，回到正常状态。通过按键2，选择要设置的位置，初始设置秒个位，按一下，设置秒十位，再按下，设置分个位，以此类推，循环设置。通过按键3，设置数值，按一下数值加1，如果溢出则重新变为0。

1.1.3 系统结构框图

系统结构框图如下所示：

结构图共分两个，如果使用的开发板上是矩阵键盘的时候，对应的结构图是图一。如果使用的开发板上是普通按键的时候，对应的结构图是图二。

图一

图二

1.1.4模块功能Ø 按键检测模块实现功能

1、将外来异步信号打两拍处理，将异步信号同步化。

2、实现20ms按键消抖功能，并输出有效按键信号。

Ø 矩阵键盘模块实现功能

1、将外来异步信号打两拍处理，将异步信号同步化。

2、实现20ms按键消抖功能。

3、实现矩阵键盘的按键检测功能，并输出有效按键信号。

Ø 时间产生模块实现功能

1、产生显示时间数据。

2、产生闹钟时间数据，

3、根据接收到的不同的按键信号，产生暂停、开启、设置时间的功能。

Ø 数码管显示模块实现功能

1、对接收到的时间数据进行译码。

Ø 蜂鸣器模块实现功能

1、将接受到的显示时间数据与闹钟时间数据进行比较，控制蜂鸣器的开启。

1.1.5顶层信号

信号名	接口方向	定义
clk	输入	系统时钟，50Mhz
rst_n	输入	低电平复位信号
Key	输入	3位按键信号，开发板按键为矩阵键盘时，不需要该信号
Key_col	输入	4位矩阵键盘列信号，默认高电平，开发板按键为普通按键时，不需要该信号
Key_row	输出	4位矩阵键盘行信号，默认低电平，开发板按键为普通按键时，不需要该信号
Segment	输出	8位数码管段选信号
Seg_sel	输出	8位数码管位选信号
beep	输出	1位蜂鸣器控制信号

1.1.6参考代码

下面是使用普通按键的顶层代码：

module alarm_clock(
clk ,
rst_n ,
key ,
segment ,
seg_sel ,
beep
);
input clk ;
input rst_n ;
input [2:0 ] key ;
output [7:0 ] segment ;
output [7:0 ] seg_sel ;
output beep ;
wire [7:0 ] segment ;
wire [7:0 ] seg_sel ;
wire beep ;
wire [3:0 ] xs_sec_low ;
wire [3:0 ] xs_sec_high ;
wire [3:0 ] xs_min_low ;
wire [3:0 ] xs_min_high ;
wire [3:0 ] sec_low ;
wire [3:0 ] sec_high ;
wire [3:0 ] min_low ;
wire [3:0 ] min_high ;
wire [25:0] counter ;
wire [3:0 ] key_vld ;
wire flag_set ;
key_module u0(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.key_in (key ),
.key_vld (key_vld )
);
time_data u1(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.key_vld (key_vld ),
.flag_set (flag_set ),
.end_counter (end_counter ),
.sec_low (sec_low ),
.sec_high (sec_high ),
.min_low (min_low ),
.min_high (min_high ),
.xs_sec_low (xs_sec_low ),
.xs_sec_high (xs_sec_high ),
.xs_min_low (xs_min_low ),
.xs_min_high (xs_min_high )
);
beep u2(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.flag_set (flag_set ),
.end_counter (end_counter ),
.beep (beep ),
.sec_low (sec_low ),
.sec_high (sec_high ),
.min_low (min_low ),
.min_high (min_high ),
.xs_sec_low (xs_sec_low ),
.xs_sec_high (xs_sec_high ),
.xs_min_low (xs_min_low ),
.xs_min_high (xs_min_high )
);
seg_disp u3(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.segment_data({xs_min_high,xs_min_low,xs_sec_high,xs_sec_low,min_high,min_low,sec_high,sec_low}),
.segment (segment ),
.seg_sel (seg_sel )
);
endmodule

复制代码

下面是使用矩阵键盘的顶层代码：

module alarm_clock_jvzhen(
clk ,
rst_n ,
key_col ,
key_row ,
segment ,
seg_sel ,
beep
);
input clk ;
input rst_n ;
input [3:0 ] key_col ;
output [3:0 ] key_row ;
output [7:0 ] segment ;
output [7:0 ] seg_sel ;
output beep ;
wire [7:0 ] segment ;
wire [7:0 ] seg_sel ;
wire beep ;
wire [3:0 ] xs_sec_low ;
wire [3:0 ] xs_sec_high ;
wire [3:0 ] xs_min_low ;
wire [3:0 ] xs_min_high ;
wire [3:0 ] sec_low ;
wire [3:0 ] sec_high ;
wire [3:0 ] min_low ;
wire [3:0 ] min_high ;
wire end_counter ;
wire [3:0 ] key_vld ;
wire flag_set ;
wire [15:0] key_out ;
key_scan u0(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.key_col (key_col ),
.key_row (key_row ),
.key_en (key_vld )
);
time_data u1(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.key_vld (key_vld ),
.flag_set (flag_set ),
.end_counter (end_counter ),
.sec_low (sec_low ),
.sec_high (sec_high ),
.min_low (min_low ),
.min_high (min_high ),
.xs_sec_low (xs_sec_low ),
.xs_sec_high (xs_sec_high ),
.xs_min_low (xs_min_low ),
.xs_min_high (xs_min_high )
);
beep u2(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.flag_set (flag_set ),
.end_counter (end_counter ),
.beep (beep ),
.sec_low (sec_low ),
.sec_high (sec_high ),
.min_low (min_low ),
.min_high (min_high ),
.xs_sec_low (xs_sec_low ),
.xs_sec_high (xs_sec_high ),
.xs_min_low (xs_min_low ),
.xs_min_high (xs_min_high )
);
seg_disp u3(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.segment_data({xs_min_high,xs_min_low,xs_sec_high,xs_sec_low,min_high,min_low,sec_high,sec_low}),
.segment (segment ),
.seg_sel (seg_sel )
);
endmodul

复制代码

1.2 按键检测模块设计1.2.1 接口信号

信号	接口方向	定义
clk	输入	系统时钟
rst_n	输入	低电平复位信号
key_in	输入	按键输入
key_vld	输出	按键按下指示信号

1.2.2 设计思路

在前面的案例中已经有按键检测的介绍，所以这里不在过多介绍，详细介绍请看下方链接：

【每周FPGA案例】至简设计系列_按键控制数字时钟

1.2.3参考代码

使用明德扬的计数器模板，可以很快速很熟练地写出按键消抖模块。

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
cnt <= 20'b0;
end
else if(add_cnt)begin
if(end_cnt)
cnt <= 20'b0;
else
cnt <= cnt + 1'b1;
end
else begin
cnt <= 0;
end
end
assign add_cnt = flag_add==1'b0 && (&key_in_ff1==0);
assign end_cnt = add_cnt && cnt == TIME_20MS - 1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
flag_add <= 1'b0;
end
else if(end_cnt)begin
flag_add <= 1'b1;
end
else if(&key_in_ff1==1)begin
flag_add <= 1'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_in_ff0 <= {{KEY_W}{1'b1}};
key_in_ff1 <= {{KEY_W}{1'b1}};
end
else begin
key_in_ff0 <= key_in ;
key_in_ff1 <= key_in_ff0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_vld <= 0;
end
else if(end_cnt)begin
key_vld <= ~key_in_ff1;
end
else begin
key_vld <= 0;
end
end
endmodule

复制代码

1.3 矩阵键盘模块设计1.3.1接口信号

信号	接口方向	定义
clk	输入	系统时钟
rst_n	输入	低电平复位信号
key_col	输入	矩阵键盘列输入信号
Key_row	输出	矩阵键盘行输出信号
Key_en	输出	按键按下指示信号

1.3.2 设计思路

在前面的案例中已经有矩阵键盘的介绍，所以这里不在过多介绍，详细介绍请看下方链接：

http://fpgabbs.com/forum.php?mod=viewthread&tid=310

1.3.3参考代码

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_ff0 <= 4'b1111;
key_col_ff1 <= 4'b1111;
end
else begin
key_col_ff0 <= key_col ;
key_col_ff1 <= key_col_ff0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
shake_cnt <= 0;
end
else if(add_shake_cnt) begin
if(end_shake_cnt)
shake_cnt <= 0;
else
shake_cnt <= shake_cnt+1 ;
end
end
assign add_shake_cnt = key_col_ff1!=4'hf;
assign end_shake_cnt = add_shake_cnt && shake_cnt == TIME_20MS-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
state_c <= CHK_COL;
end
else begin
state_c <= state_n;
end
end
always @(*)begin
case(state_c)
CHK_COL: begin
if(col2row_start )begin
state_n = CHK_ROW;
end
else begin
state_n = CHK_COL;
end
end
CHK_ROW: begin
if(row2del_start)begin
state_n = DELAY;
end
else begin
state_n = CHK_ROW;
end
end
DELAY : begin
if(del2wait_start)begin
state_n = WAIT_END;
end
else begin
state_n = DELAY;
end
end
WAIT_END: begin
if(wait2col_start)begin
state_n = CHK_COL;
end
else begin
state_n = WAIT_END;
end
end
default: state_n = CHK_COL;
endcase
end
assign col2row_start = state_c==CHK_COL && end_shake_cnt;
assign row2del_start = state_c==CHK_ROW && row_index==3 && end_row_cnt;
assign del2wait_start= state_c==DELAY && end_row_cnt;
assign wait2col_start= state_c==WAIT_END && key_col_ff1==4'hf;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_row <= 4'b0;
end
else if(state_c==CHK_ROW)begin
key_row <= ~(1'b1 << row_index);
end
else begin
key_row <= 4'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
row_index <= 0;
end
else if(add_row_index) begin
if(end_row_index)
row_index <= 0;
else
row_index <= row_index+1 ;
end
else if(state_c!=CHK_ROW)begin
row_index <= 0;
end
end
assign add_row_index = state_c==CHK_ROW && end_row_cnt;
assign end_row_index = add_row_index && row_index == 4-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
row_cnt <= 0;
end
else if(add_row_cnt) begin
if(end_row_cnt)
row_cnt <= 0;
else
row_cnt <= row_cnt+1 ;
end
end
assign add_row_cnt = state_c==CHK_ROW || state_c==DELAY;
assign end_row_cnt = add_row_cnt && row_cnt == 16-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_get <= 0;
end
else if(state_c==CHK_COL && end_shake_cnt ) begin
if(key_col_ff1==4'b1110)
key_col_get <= 0;
else if(key_col_ff1==4'b1101)
key_col_get <= 1;
else if(key_col_ff1==4'b1011)
key_col_get <= 2;
else
key_col_get <= 3;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_out <= 0;
end
else if(state_c==CHK_ROW && end_row_cnt)begin
key_out <= {row_index,key_col_get};
end
else begin
key_out <= 0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_vld <= 1'b0;
end
else if(state_c==CHK_ROW && end_row_cnt && key_col_ff1[key_col_get]==1'b0)begin
key_vld <= 1'b1;
end
else begin
key_vld <= 1'b0;
end
end
always @(*)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_en = 0;
end
else if(key_vld && key_out==0)begin
key_en = 4'b0001;
end
else if(key_vld && key_out==1)begin
key_en = 4'b0010;
end
else if(key_vld && key_out==2)begin
key_en = 4'b0100;
end
else begin
key_en = 0;
end
end
endmodule

复制代码

1.4 时间产生模块设计1.4.1接口信号

信号	接口方向	定义
clk	输入	系统时钟
rst_n	输入	低电平复位信号
key_vld	输入	按键按下指示信号
end_counter	输出	时钟计数器结束条件，表示1秒的时间
Xs_sec_low	输出	显示的秒低位计数器
Xs_sec_high	输出	显示的秒高位计数器
Xs_min_low	输出	显示的分低位计数器
Xs_min_high	输出	显示的分高位计数器
Sec_low	输出	闹钟的秒低位计数器
Sec_high	输出	闹钟的秒高位计数器
Min_low	输出	闹钟的分低位计数器
Min_high	输出	闹钟的分高位计数器
Flag_set	输出	设置状态指示信号

1.4.2设计思路

根据题目功能要求可知，要显示的时间就是在完整的数字时钟的基础上，减少了时的高位和低位的显示，再介绍架构之前，先了解一下本模块其他几个信号的作用。

设置状态指示信号flag_set：该信号初始状态为低电平，表示模块处于正常工作状态，当按下按键key1时，设置状态指示信号进行翻转，变为高电平，表示进入到设置状态。

设置位计数器sel_cnt：该计数器表示要设置的位，初始状态为0，表示可以设置闹钟的秒低位，当其为1时表示可以设置闹钟的秒的高位，按照这样的顺序依次类推，当其为7的时候，表示可以设置显示时间的分高位。加一条件为key_vld[1]==1’b1，表示按下按键key2的时候加一；结束条件为8，显示时间的四个数码管加上闹钟的四个数码管共8个，所以数8个就清零。

由此可提出5个计数器的架构，如下图所示：

该架构由5个计数器组成：时钟计数器counter、秒低位计数器xs_sec_low、秒高位计数器xs_sec_high、分低位计数器xs_min_low、分高位计数器xs_min_high。

时钟计数器counter：用于计算1秒的时钟个数，加一条件为flag_set==1'b0，表示刚上电时开始计数，key1按下之后，进入设置模式，停止计数，再按下又重新开始计数；结束条件为50000000，表示数到1秒就清零。

秒低位计数器xs_sec_low：用于对1秒进行计数，加一条件为(sel_cnt==5-1&& set_en) || end_counter，表示在设置状态下可通过按键key3来控制加一，或者在正常状态时数到1秒就加1；结束条件为10，表示数到10秒就清零。

秒高位计数器xs_sec_high：用于对10秒进行计数，加一条件为(sel_cnt==6-1&& set_en) || end_xs_sec_low，表示在设置状态下可通过按键key3来控制加一，或者在正常状态时数到10秒就加1；结束条件为6，表示数到60秒就清零。

分低位计数器xs_min_low：用于对1分进行计数，加一条件为(sel_cnt==7-1&& set_en) || end_xs_sec_high，表示在设置状态下可通过按键key3来控制加一，或者在正常状态时数到1分就加1；结束条件为10，表示数到10分就清零。

分高位计数器xs_min_high：用于对10分进行计数，加一条件为(sel_cnt==8-1&& set_en) || end_xs_min_low，表示在设置状态下可通过按键key3来控制加一，或者在正常状态时数到10分就加1；结束条件为6，表示数到60分就清零。

上面介绍了显示时间的计数器架构，下面我们来思考一下闹钟部分的架构。

我们都知道闹钟的工作原理，它本身不会自动计数，需要我们手动设置。根据本设计的功能要求，有四个数码管来显示设置的闹钟秒的高低位和分的高低位，因此我们提出四个计数器组成的架构，这四个计数器相互独立，互不干涉，结构图如下：

该架构由4个计数器组成：秒低位计数器sec_low、秒高位计数器sec_high、分低位计数器min_low、分高位计数器min_high。

秒低位计数器sec_low：用于对闹钟秒的低位进行计数，加一条件为sel_cnt==1-1 && set_en，表示在设置状态下通过按键key3来控制加一；结束条件为10，表示最大能设置为9，超过之后便清零。

秒高位计数器sec_high：用于对闹钟秒的高位进行计数，加一条件为sel_cnt==2-1 && set_en，表示在设置状态下可通过按键key3来控制加一；结束条件为6，表示最大能设置为5，超过之后便清零。

分低位计数器min_low：用于对闹钟分的低位进行计数，加一条件为sel_cnt==3-1 && set_en，表示在设置状态下可通过按键key3来控制加一；结束条件为10，表示最大能设置为9，超过之后便清零。

分高位计数器min_high：用于对闹钟分高位进行计数，加一条件为sel_cnt==4-1 && set_en，表示在设置状态下可通过按键key3来控制加一；结束条件为6，表示最大能设置为5，超过之后便清零。

1.4.3参考代码

使用明德扬的计数器模板，可以很快速很熟练地写出时间产生模块。

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
flag_set<=1'b0;
end
else if(key_vld[0]==1'b1)begin
flag_set<=~flag_set;
end
else begin
flag_set<=flag_set;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
sel_cnt <= 0;
end
else if(add_sel_cnt) begin
if(end_sel_cnt)
sel_cnt <= 0;
else
sel_cnt <= sel_cnt+1 ;
end
end
assign add_sel_cnt = key_vld[1]==1'b1;
assign end_sel_cnt = add_sel_cnt && sel_cnt == 8-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
set_en<=1'b0;
end
else if(flag_set==1'b1 && key_vld[2]==1'b1)begin
set_en<=1'b1;
end
else begin
set_en<=1'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
counter <= 0;
end
else if(add_counter) begin
if(end_counter)
counter <= 0;
else
counter <= counter+1 ;
end
end
assign add_counter = flag_set==1'b0;
assign end_counter = add_counter && counter == 26'd5000_0000-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
sec_low <= 0;
end
else if(add_sec_low) begin
if(end_sec_low)
sec_low <= 0;
else
sec_low <= sec_low+1 ;
end
end
assign add_sec_low = sel_cnt==1-1 && set_en;
assign end_sec_low = add_sec_low && sec_low == 10-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
sec_high <= 0;
end
else if(add_sec_high) begin
if(end_sec_high)
sec_high <= 0;
else
sec_high <= sec_high+1 ;
end
end
assign add_sec_high = sel_cnt==2-1 && set_en;
assign end_sec_high = add_sec_high && sec_high == 6-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
min_low <= 0;
end
else if(add_min_low) begin
if(end_min_low)
min_low <= 0;
else
min_low <= min_low+1 ;
end
end
assign add_min_low = sel_cnt==3-1 && set_en;
assign end_min_low = add_min_low && min_low == 10-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
min_high <= 0;
end
else if(add_min_high) begin
if(end_min_high)
min_high <= 0;
else
min_high <= min_high+1 ;
end
end
assign add_min_high = sel_cnt==4-1 && set_en;
assign end_min_high = add_min_high && min_high == 6-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
xs_sec_low <= 0;
end
else if(add_xs_sec_low) begin
if(end_xs_sec_low)
xs_sec_low <= 0;
else
xs_sec_low <= xs_sec_low+1 ;
end
end
assign add_xs_sec_low = (sel_cnt==5-1 && set_en) || end_counter;
assign end_xs_sec_low = add_xs_sec_low && xs_sec_low == 10-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
xs_sec_high <= 0;
endalways @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_ff0 <= 4'b1111;
key_col_ff1 <= 4'b1111;
end
else begin
key_col_ff0 <= key_col ;
key_col_ff1 <= key_col_ff0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
shake_cnt <= 0;
end
else if(add_shake_cnt) begin
if(end_shake_cnt)
shake_cnt <= 0;
else
shake_cnt <= shake_cnt+1 ;
end
end
assign add_shake_cnt = key_col_ff1!=4'hf;
assign end_shake_cnt = add_shake_cnt && shake_cnt == TIME_20MS-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
state_c <= CHK_COL;
end
else begin
state_c <= state_n;
end
end
always @(*)begin
case(state_c)
CHK_COL: begin
if(col2row_start )begin
state_n = CHK_ROW;
end
else begin
state_n = CHK_COL;
end
end
CHK_ROW: begin
if(row2del_start)begin
state_n = DELAY;
end
else begin
state_n = CHK_ROW;
end
end
DELAY : begin
if(del2wait_start)begin
state_n = WAIT_END;
end
else begin
state_n = DELAY;
end
end
WAIT_END: begin
if(wait2col_start)begin
state_n = CHK_COL;
end
else begin
state_n = WAIT_END;
end
end
default: state_n = CHK_COL;
endcase
end
assign col2row_start = state_c==CHK_COL && end_shake_cnt;
assign row2del_start = state_c==CHK_ROW && row_index==3 && end_row_cnt;
assign del2wait_start= state_c==DELAY && end_row_cnt;
assign wait2col_start= state_c==WAIT_END && key_col_ff1==4'hf;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_row <= 4'b0;
end
else if(state_c==CHK_ROW)begin
key_row <= ~(1'b1 << row_index);
end
else begin
key_row <= 4'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
row_index <= 0;
end
else if(add_row_index) begin
if(end_row_index)
row_index <= 0;
else
row_index <= row_index+1 ;
end
else if(state_c!=CHK_ROW)begin
row_index <= 0;
end
end
assign add_row_index = state_c==CHK_ROW && end_row_cnt;
assign end_row_index = add_row_index && row_index == 4-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
row_cnt <= 0;
end
else if(add_row_cnt) begin
if(end_row_cnt)
row_cnt <= 0;
else
row_cnt <= row_cnt+1 ;
end
end
assign add_row_cnt = state_c==CHK_ROW || state_c==DELAY;
assign end_row_cnt = add_row_cnt && row_cnt == 16-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_get <= 0;
end
else if(state_c==CHK_COL && end_shake_cnt ) begin
if(key_col_ff1==4'b1110)
key_col_get <= 0;
else if(key_col_ff1==4'b1101)
key_col_get <= 1;
else if(key_col_ff1==4'b1011)
key_col_get <= 2;
else
key_col_get <= 3;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_out <= 0;
end
else if(state_c==CHK_ROW && end_row_cnt)begin
key_out <= {row_index,key_col_get};
end
else begin
key_out <= 0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_vld <= 1'b0;
end
else if(state_c==CHK_ROW && end_row_cnt && key_col_ff1[key_col_get]==1'b0)begin
key_vld <= 1'b1;
end
else begin
key_vld <= 1'b0;
end
end
always @(*)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_en = 0;
end
else if(key_vld && key_out==0)begin
key_en = 4'b0001;
end
else if(key_vld && key_out==1)begin
key_en = 4'b0010;
end
else if(key_vld && key_out==2)begin
key_en = 4'b0100;
end
else begin
key_en = 0;
end
end
endmodule;

复制代码

1.5 数码管显示模块设计1.5.1接口信号

信号	接口方向	定义
clk	输入	系统时钟
rst_n	输入	低电平复位信号
Segment_data	输入	时间数据
Segment	输出	数码管段选信号
Seg_sel	输出	数码管位选信号

1.5.2设计思路

在前面的案例中已经有数码管显示的介绍，所以这里不在过多介绍，详细介绍请看下方链接：

http://fpgabbs.com/forum.php?mod=viewthread&tid=399

1.5.3参考代码

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
delay <= 0;
end
else if(add_delay) begin
if(end_delay)
delay <= 0;
else
delay <= delay+1 ;
end
end
assign add_delay = 1;
assign end_delay = add_delay && delay == 2000-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
delay_time <= 0;
end
else if(add_delay_time) begin
if(end_delay_time)
delay_time <= 0;
else
delay_time <= delay_time+1 ;
end
end
assign add_delay_time = end_delay;
assign end_delay_time = add_delay_time && delay_time == 8-1 ;
assign segment_tmp = segment_data[(1+delay_time)*4-1 -:4];
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
segment <= ZERO;
end
else begin
case(segment_tmp)
4'd0:segment <= ZERO;
4'd1:segment <= ONE ;
4'd2:segment <= TWO ;
4'd3:segment <= THREE;
4'd4:segment <= FOUR ;
4'd5:segment <= FIVE ;
4'd6:segment <= SIX ;
4'd7:segment <= SEVEN;
4'd8:segment <= EIGHT;
4'd9:segment <= NINE ;
default:begin
segment <= segment;
end
endcase
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
seg_sel <= 8'b1111_1111;
end
else begin
seg_sel <= ~(8'b1<<delay_time);
end
end
endmodule

复制代码

1.6 蜂鸣器模块设计1.6.1接口信号

信号	接口方向	定义
clk	输入	系统时钟
rst_n	输入	低电平复位信号
Key1_func	输入	设置状态指示信号
end_counter	输入	时钟计数器结束条件，表示1秒的时间
Xs_sec_low	输入	显示的秒低位计数器
Xs_sec_high	输入	显示的秒高位计数器
Xs_min_low	输入	显示的分低位计数器
Xs_min_high	输入	显示的分高位计数器
Sec_low	输入	闹钟的秒低位计数器
Sec_high	输入	闹钟的秒高位计数器
Min_low	输入	闹钟的分低位计数器
Min_hign	输入	闹钟的分高位计数器
beep	输出	蜂鸣器信号

1.6.2设计思路

本模块主要通过将显示时间与设置的闹钟时间进行比较，如果相同的话，就控制beep拉低，持续时间为5秒。由此提出一个计数器的架构，如下图所示。

该架构由蜂鸣器控制信号beep、秒计数器miao和闹钟触发指示信号flag_add组成。

秒计数器秒：用于对5秒的时间进行计数，加一条件为flag_add && end_counter，表示当闹钟被触发，并且经过1秒的时间就加一；结束条件为5，表示数完5秒就清零。

闹钟触发指示信号flag：当其为高电平时表示闹钟被触发，低电平表示没有被触发。初始状态为低电平，从低变高的条件为sec_low==xs_sec_low&&sec_high==xs_sec_high&&min_low==xs_min_low&&min_high==xs_min_high&&init&&!key1_func，表示当显示时间的秒高低位、分高低位和闹钟设置的秒高低位、分高低位相等，同时不处于刚上电的初始状态和设置状态时，闹钟被触发；从高变低的条件为end_miao，表示当5秒数完之后，就拉低。

蜂鸣器控制信号beep：当其为低电平时，控制蜂鸣器响，为高电平时不响。初始状态为高电平，从高变低的条件为flag_add，表示计数器开始计数之后便将其拉低，当检测到flag_add=0的时候，便将其拉高。

1.6.3参考代码

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
flag_add <= 0;
end
else if(sec_low==xs_sec_low&&sec_high==xs_sec_high&&min_low==xs_min_low&&min_high==xs_min_high&&init&&flag_set==0)begin
flag_add <= 1;
end
else if(end_miao)begin
flag_add <= 0;
end
end
always@(*)begin
if(!sec_low&&!sec_high&&!min_low&&!min_high)begin
init=0;
end
else begin
init=1;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
miao <= 0;
end
else if(add_miao) begin
if(end_miao)
miao <= 0;
else
miao <= miao+1 ;
end
end
assign add_miao = flag_add && end_counter;
assign end_miao = add_miao && miao == 5-1 ;
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
beep<=1'b1;
end
else if(flag_add)begin
beep<=1'b0;
end
else
beep<=1'b1;
end
endmodule

复制代码

1.7 效果和总结下图是该工程在mp801开发板上的现象

其中按键s4控制数字时钟的暂停与开始，按键s3来选择需要设置的位，按键s2设置数值。左边四个数码管显示的是时钟的时间，右边四个数码管显示的是闹钟设置的时间。

下图是该工程在db603开发板上的现象

其中按键s1控制数字时钟的暂停与开始，按键s2来选择需要设置的位，按键s3设置数值。左边四个数码管显示的是时钟的时间，右边四个数码管显示的是闹钟设置的时间。

下图是该工程在ms980试验箱上的现象

其中按键s1控制数字时钟的暂停与开始，按键s2来选择需要设置的位，按键s3设置数值。左边四个数码管显示的是时钟的时间，右边四个数码管显示的是闹钟设置的时间。

由于该项目的上板现象是动态的，开始、暂停、时间设置等现象无法通过图片表现出来，想观看完整现象的朋友可以看一下现象演示的视频。

【设计教程下载】

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