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摘 要 本文利用Spartan3A and Spartan3AN系列的XC3S200A FT256的FPGA作为开发硬件，ISE软件和ModelSim软件作为开发软件，设计制作了一款计数长度为一小时，计数精度为0.01秒，六位数码管显示的电子跑表。具有开始/停止，复位清零功能，并且加入了扩展要求的多次暂停计数功能和消抖判断。具有精度高，操作简单的特点。
关键词 FPGA；VHDL；ISE；ModelSim；电子跑表
中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0025-01
随着集成电路（IC）技术的发展，电子设计自动化（EDA）逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。而电子设计自动化（EDA）的实现是与CPLD/FPGA技术的迅速发展息息相关的，利用PLD/FPGA，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现了系统的集成。此外，CPLD/FPGA还具有静态可重复编程或在线动态重构特性，使硬件的功能可像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。20世纪80年代后期由美国国防部开发的VHDL语言恰好满足了上述这样的要求，并在1987年12月由IEEE标准化。它的出现为电子设计自动化（EDA）的普及和推广奠定了坚实的基础。由此，使用VHDL语言来设计数字系统是电子设计技术的大势所趋。
1 系统电路设计
系统由石英震荡器、分频部分、计数部分、显示部分、开始/停止使能和清零部分构成。分频器将晶振所提供的48 MHz信号分频成100 Hz时钟信号作为最低位计数器的计时信号，将六个计数器异步级联得到跑表时间数据，再经过数据选择器和显示译码器，以动态显示模式将显示译码器的段选信号分位输出给六个8段LED数码管显示，开始/停止使能可实现暂停/继续计时操作，清零部分完成系统的时间清零，为下次计时做准备。系统电路总体模块图如下。
2 各模块设计
2.1 分频器的设计
实验板提供了48 MHz的震荡信号，要求输出频率分别为1000 Hz和100 Hz。分频器的实现原理是基于计数器的方法设计的，通过对若干个震荡信号的计数来实现输出信号的翻转，故而实现了分频。
要得到100 Hz和1 Kz的方波，需要对48 MHz的晶振信号进行分频。要得到100 Hz的方波，需要480000分频，要实现480000分频，则输入源时钟信号clk每过480000/2即240000个上升沿，则对输出信号out100hz取反。同理，每经过24000个源时钟上升沿，对out1khz取反，得到1 KHz的信号。
2.2 计数器的设计
根据实验要求知，计数器由六个单极计数器级联实现，其中4个十进制计数器、2个六进制计数器。本实验方案采用同步级联实现。
本设计使用的是异步清零和同步使能，即当清零有效时，计数器立即清零，而当使能有效时，只有当时钟上升沿到来时，才进行暂停或开始计数的功能。使能输入即进位输入。首先先判断清零是否有效，当有效时，执行清零操作，count值为0。当清零无效时，并且使能有效是，进行计数。计数输出为四位二进制数countout。最后判断当计数值满并且使能有效时，进位输出有效。六进制计数器原理与十进制计数器类似。只是count_tmp值最大为“0101”。
2.3 使能控制的设计
使能控制是为了产生使能控制信号，在该控制信号作用下使输出发生翻转。使能输入（enable_in）每来一个上升沿，使能输出（enable_out）电平变化一次。即实现了每按一次按键，计数器在停止和开始计数之间切换。
2.4 显示控制的设计
显示控制模块应包含一个六进制计数器、六选一数据选择器和七段译码器。六进制计数器的时钟信号频率为1 kHz，计数输出作为位选控制信号sel（2：0）。数据选择器的地址控制信号为计数输出，数据选择器的数据端为要显示的六位数据mh（3：0），ml（3：0），sh（3：0），sl（3：0），ds（3：0），cs（3：0）。根据地址控制信号选择其中一路输出至译码器，译码器的输出作为段选控制信号led（6：0）。根据硬件电路，需设置一个译码使能信号G，G为低电平有效。
该模块里融合了一个六进制计数器，六选一数据选择器。通过分频器输出的1khz的时钟，控制六进制计数器计数（sel），使三位输出作为三八译码器的输入，从而控制8位数码管的位选以1khz进行扫描。又作为六选一数据选择器的地址选择输入，从而控制是哪一个数据作为六选一数据选择器的输出。这个输出经七段译码器后（led）作为数码管的段选。G端口为三八译码器的使能输出。
2.5 消抖模块的设计
消抖模块应能排除在按键按下电平不能稳定变化，出现纹波的情况下，对按键电平的识别。设计的思路是，当按键按下时，设计一个延时语句，当一段延时后，仍检测出按键为低电平，则认为按键按下，否则不判定为按键按下。本设使用计的按键消抖模块的思想为，当按键按下后，在所设定的一小段时间内，持续维持低电平，则判断为真正按下，输出（key_in）有效。
2.6 显示暂停模块
设计了一个门电路放在显示控制模块的段选输出和数码管之间，当门关闭时，数码管显示不变化，但计数器还在计数，当暂停后突然将门打开后，会将实际计数器的计数值送给数码管显示；门打开时则正常显示。这样，则实现了分别计数的扩展功能。设定的暂存模块很简单，就是在每个计数输出到显示控制输入之间加一个门。当开关按下后，门关闭，数码管显示暂停，但计数器仍在计数；当开关松开，计数器立即将当时时刻的计数值输送给数码管显示。
3 总结
经下载仿真后，从FPGA实验板的运行结果来看，该秒表实现了设计要求中包括所有扩展功能在内的全部功能，且显示时间稳定准确，按键灵敏度高。
参考文献
[1]于洋.面向教学的16位微处理器的FPGA设计与实现[D].江苏大学，2009.
关键词 FPGA；VHDL；ISE；ModelSim；电子跑表
中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0025-01
随着集成电路（IC）技术的发展，电子设计自动化（EDA）逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。而电子设计自动化（EDA）的实现是与CPLD/FPGA技术的迅速发展息息相关的，利用PLD/FPGA，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现了系统的集成。此外，CPLD/FPGA还具有静态可重复编程或在线动态重构特性，使硬件的功能可像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。20世纪80年代后期由美国国防部开发的VHDL语言恰好满足了上述这样的要求，并在1987年12月由IEEE标准化。它的出现为电子设计自动化（EDA）的普及和推广奠定了坚实的基础。由此，使用VHDL语言来设计数字系统是电子设计技术的大势所趋。
1 系统电路设计
系统由石英震荡器、分频部分、计数部分、显示部分、开始/停止使能和清零部分构成。分频器将晶振所提供的48 MHz信号分频成100 Hz时钟信号作为最低位计数器的计时信号，将六个计数器异步级联得到跑表时间数据，再经过数据选择器和显示译码器，以动态显示模式将显示译码器的段选信号分位输出给六个8段LED数码管显示，开始/停止使能可实现暂停/继续计时操作，清零部分完成系统的时间清零，为下次计时做准备。系统电路总体模块图如下。
2 各模块设计
2.1 分频器的设计
实验板提供了48 MHz的震荡信号，要求输出频率分别为1000 Hz和100 Hz。分频器的实现原理是基于计数器的方法设计的，通过对若干个震荡信号的计数来实现输出信号的翻转，故而实现了分频。
要得到100 Hz和1 Kz的方波，需要对48 MHz的晶振信号进行分频。要得到100 Hz的方波，需要480000分频，要实现480000分频，则输入源时钟信号clk每过480000/2即240000个上升沿，则对输出信号out100hz取反。同理，每经过24000个源时钟上升沿，对out1khz取反，得到1 KHz的信号。
2.2 计数器的设计
根据实验要求知，计数器由六个单极计数器级联实现，其中4个十进制计数器、2个六进制计数器。本实验方案采用同步级联实现。
本设计使用的是异步清零和同步使能，即当清零有效时，计数器立即清零，而当使能有效时，只有当时钟上升沿到来时，才进行暂停或开始计数的功能。使能输入即进位输入。首先先判断清零是否有效，当有效时，执行清零操作，count值为0。当清零无效时，并且使能有效是，进行计数。计数输出为四位二进制数countout。最后判断当计数值满并且使能有效时，进位输出有效。六进制计数器原理与十进制计数器类似。只是count_tmp值最大为“0101”。
2.3 使能控制的设计
使能控制是为了产生使能控制信号，在该控制信号作用下使输出发生翻转。使能输入（enable_in）每来一个上升沿，使能输出（enable_out）电平变化一次。即实现了每按一次按键，计数器在停止和开始计数之间切换。
2.4 显示控制的设计
显示控制模块应包含一个六进制计数器、六选一数据选择器和七段译码器。六进制计数器的时钟信号频率为1 kHz，计数输出作为位选控制信号sel（2：0）。数据选择器的地址控制信号为计数输出，数据选择器的数据端为要显示的六位数据mh（3：0），ml（3：0），sh（3：0），sl（3：0），ds（3：0），cs（3：0）。根据地址控制信号选择其中一路输出至译码器，译码器的输出作为段选控制信号led（6：0）。根据硬件电路，需设置一个译码使能信号G，G为低电平有效。
该模块里融合了一个六进制计数器，六选一数据选择器。通过分频器输出的1khz的时钟，控制六进制计数器计数（sel），使三位输出作为三八译码器的输入，从而控制8位数码管的位选以1khz进行扫描。又作为六选一数据选择器的地址选择输入，从而控制是哪一个数据作为六选一数据选择器的输出。这个输出经七段译码器后（led）作为数码管的段选。G端口为三八译码器的使能输出。
2.5 消抖模块的设计
消抖模块应能排除在按键按下电平不能稳定变化，出现纹波的情况下，对按键电平的识别。设计的思路是，当按键按下时，设计一个延时语句，当一段延时后，仍检测出按键为低电平，则认为按键按下，否则不判定为按键按下。本设使用计的按键消抖模块的思想为，当按键按下后，在所设定的一小段时间内，持续维持低电平，则判断为真正按下，输出（key_in）有效。
2.6 显示暂停模块
设计了一个门电路放在显示控制模块的段选输出和数码管之间，当门关闭时，数码管显示不变化，但计数器还在计数，当暂停后突然将门打开后，会将实际计数器的计数值送给数码管显示；门打开时则正常显示。这样，则实现了分别计数的扩展功能。设定的暂存模块很简单，就是在每个计数输出到显示控制输入之间加一个门。当开关按下后，门关闭，数码管显示暂停，但计数器仍在计数；当开关松开，计数器立即将当时时刻的计数值输送给数码管显示。
3 总结
经下载仿真后，从FPGA实验板的运行结果来看，该秒表实现了设计要求中包括所有扩展功能在内的全部功能，且显示时间稳定准确，按键灵敏度高。
参考文献
[1]于洋.面向教学的16位微处理器的FPGA设计与实现[D].江苏大学，2009.