2024年寒假练 - 基于小脚丫FPGA制作具有启动、停止、递增和清除功能的秒表

内容介绍

项目需求

这个项目的目标是设计和实现一个2位数的秒表系统，使用小脚丫FPGA核心板作为硬件平台。秒表系统应具备可靠的计时功能，能够从0.0秒开始计数，逐步增加到9.9秒，然后循环回零重新计数。系统需要以0.1秒的精度更新计数值。

为了操作秒表系统，我们将使用四个按键进行控制：开始、停止、增量和清除。按下开始按钮后，秒表开始以10Hz的时钟速率递增，每0.1秒更新一次。停止按钮将暂停递增，但仍然显示当前计数器的值。增量按钮将导致显示值增加一次，无论按住按钮的时间有多长。最后，清除按钮将强制将计数器值重置为零。

需求分析

功能需求：
- 秒表计数：实现从0.0秒开始计数，每0.1秒递增一次，当计数达到9.9秒时，循环回零重新计数。
- 开始/停止功能：通过按下开始按钮启动秒表，按下停止按钮暂停计数，但仍然显示当前计数值。
- 增量功能：通过按下增量按钮，将当前计数值增加一次，无论按住按钮的时间有多长。
- 清除功能：通过按下清除按钮，将计数器值强制重置为零。
界面需求：
- 显示器：使用数码管来显示当前计数值，确保清晰可读。
- 按键：需要四个按键，分别为开始、停止、增量和清除按钮，用于控制秒表的各项功能。
计时精度：
- 秒表应具备高精度计时功能，以确保准确的计数和显示。
时钟速率：
- 秒表应以10Hz的时钟速率进行递增，即每0.1秒更新一次。
按钮功能：
- 开始按钮：按下开始按钮后，秒表开始计时，并以10Hz的时钟速率递增。
- 停止按钮：按下停止按钮后，秒表暂停计数，但仍然显示当前计数器的值。
- 增量按钮：按下增量按钮后，将当前计数值增加一次，无论按住按钮的时间有多长。
- 清除按钮：按下清除按钮后，将计数器值强制重置为零。

实现方式

使用两个数码管 seg_led_1 和 seg_led_2，用于显示十位数和个位数。通过 clk 信号驱动计数器的递增，并可以通过控制信号 hold, hold1, hold2, hold3 来控制计数器的启动、暂停和复位操作。当计数达到最大值时会回到零，并且支持手动递增功能。

在模块中使用了多个寄存器来存储计数器的当前值和状态，并通过逻辑判断来实现计数器的递增和复位功能。同时，在时钟上升沿检测到控制信号变化时，根据不同的情况更新计数器的值以及数码管显示的内容。

功能框图

实物展示：

示例代码

module counter
(
clk , //clock
rst , //restoration
rst2,
rst3,
hold , //Start pause button
rst1 , //restoration
hold1 ,
hold2 ,
hold3 ,
seg_led_1 , //Nixie tube 1
seg_led_2 , //Nixie tube 2
);
input clk,rst,rst1,rst2,rst3;
input hold,hold1,hold2,hold3;
output [8:0] seg_led_1,seg_led_2;

输入端口：

clk：时钟信号，用于驱动计数器的计数。
rst、rst1、rst2、rst3：重置信号，将计数器的值归零。
hold、hold1、hold2、hold3：暂停信号，用于暂停计数器的计数。

输出端口：

seg_led_1：7段数码管1的显示信号。
seg_led_2：7段数码管2的显示信号。

reg back_to_zero_flag ; //Timing completion signal
reg [6:0] seg  [9:0];
reg [7:0] seg1 [9:0];
reg [3:0] cnt_ge; //units digit
reg [3:0] cnt_shi; //tens digit
reg [23:0] cnt=24'd0;//counter
reg cnt_flag=1'b0;//flag of the counter
reg increase_flag=1'b0;//flag of the increasement 
reg pre_inc=1'b1;

back_to_zero_flag：用于表示计数完成的信号。
seg、seg1：用于存储数码管的显示数据。
cnt_ge、cnt_shi：分别用于存储个位数和十位数的计数值。
cnt：24位宽的计数器，用于存储当前的计数值。
cnt_flag、increase_flag、pre_inc：这些是计数器的控制标志，用于控制计数器的增加和状态变化。

initial
begin
seg[0] = 7'h3f; // 0   0011 1111
seg[1] = 7'h06; // 1   0000 0110
seg[2] = 7'h5b; // 2   0101 1011
seg[3] = 7'h4f; // 3   0100 1111
seg[4] = 7'h66; // 4   0110 0111
seg[5] = 7'h6d; // 5   0110 1101
seg[6] = 7'h7d; // 6   0111 1101
seg[7] = 7'h07; // 7   0000 0111
seg[8] = 7'h7f; // 8   0111 1111
seg[9] = 7'h6f; // 9   0110 1111
seg1[0] = 8'hbf; // 0. 1011 1111
seg1[1] = 8'h86; // 1. 1000 0110
seg1[2] = 8'hdb; // 2. 1101 1011
seg1[3] = 8'hcf; // 3. 1100 0111
seg1[4] = 8'he6; // 4. 1110 0111
seg1[5] = 8'hed; // 5. 1110 1101
seg1[6] = 8'hfd; // 6. 1111 1101
seg1[7] = 8'h87; // 7. 1000 0111
seg1[8] = 8'hff; // 8. 1111 1111
seg1[9] = 8'hef; // 9. 1110 1111
end

seg[0] 到 seg[9] 分别表示数字 0 到 9 在7段数码管上的显示编码。
seg1[0] 到 seg1[9] 则表示带小数点的数字 0. 到 9. 在8段数码管上的显示编码。

always @ (*)
 if(!rst == 1)
 back_to_zero_flag <= 0;
 else if(cnt_shi==0 && cnt_ge==0)
 back_to_zero_flag <= 1;
 else
 back_to_zero_flag <= 0;



   always @(posedge clk) begin
    if (hold == 1'b1) begin
        cnt_flag <= 1'b1;
    end else if (hold1 == 1'b1) begin
        cnt_flag <= 1'b0;
    end else if (hold3 == 1'b1) begin
        cnt <= 24'd0;
        cnt_ge <= 4'd0;
        cnt_shi <= 4'd0;
    end
end


always @(posedge clk) begin
    if (hold2 == 1'b0) begin
        if (pre_inc == 1'b1) begin
            increase_flag <= 1'b1;
        end
        pre_inc <= 1'b0;
    end else if (hold2 == 1'b1) begin
        if(hold2 == 1'b0)
        if (pre_inc == 1'b0) begin
            pre_inc <= 1'b1;
        end
    end
end


always @(posedge clk) begin
    if (cnt_flag == 1'b1) begin
        if (cnt == 24'd1199999) begin
            cnt <= 24'd0;
            if (cnt_shi == 4'd9) begin
                cnt_shi <= 4'd0;
                if (cnt_ge == 4'd9) begin
                    cnt_ge <= 4'd0;
                    cnt_shi <= 4'd0;
                end else begin
                    cnt_ge <= cnt_ge + 4'd1;
                end
            end else begin
                cnt_shi <= cnt_shi + 4'd1;
            end
        end else begin
            cnt <= cnt + 24'd1;
        end
    end else begin
        if (increase_flag == 1'b1) begin
            increase_flag <= 1'b0;
            if (cnt_shi == 4'd9) begin
                cnt_shi <= 4'd0;
                if (cnt_ge == 4'd9) begin
                    cnt_ge <= 4'd0;
                    cnt_shi <= 4'd0;
                end else begin
                    cnt_ge <= cnt_ge + 4'd1;
                end
            end else begin
                cnt_shi <= cnt_shi + 4'd1;
            end
        end
    end
end
 
 assign seg_led_1[8:0] = {2'b00,seg1[cnt_ge]};
 assign seg_led_2[8:0] = {2'b00,seg[cnt_shi]};
 endmodule

seg 和 seg1 是存储数字对应的数码管显示值的寄存器数组。
cnt_ge 和 cnt_shi 分别用于存储计数器的个位数和十位数。
cnt 是一个 24 位的计数器寄存器，用于存储当前计数值。
cnt_flag 是一个标志位，用来控制计数器的开始和暂停。
increase_flag 是一个标志位，用来标识是否需要递增计数器的值。
pre_inc 是一个辅助标志位，用于辅助检测手动递增操作。
当复位信号 rst 为非零时，back_to_zero_flag 被置为0；当 cnt_shi 和 cnt_ge 均为0时，back_to_zero_flag 被置为1，表示需要将计数器清零。
在时钟信号上升沿检测到不同的控制信号时，根据控制信号的状态来更新计数器的值：
- hold, hold1 控制计数器的开始和暂停。
- hold3 控制计数器的复位。
- hold2 用于手动递增计数器的值。