應用VHDL語言設計數字系統，很多設計工作可以在計算機上完成，從而縮短了系統的開發時間，提高了工作效率。本文介紹一種以FPGA為核心，以VHDL為開發工具的數字秒表，并給出源程序和仿真結果。

1 系統設計方案

1.1 系統總體框圖

數字秒表主要有分頻器、計數模塊、功能控制模塊、勢能控制模塊和顯示輸出模塊組成。系統框圖如圖1所示。

本次的設計仿真選用以EP1C6Q240芯片為核心的FPGA開發板，該開發板提供了較完善的外圍周邊電路和信號接口，并提供了一塊4位7段數碼管的擴展板，為本次設計提供了硬件條件。在設計中，功能控制模塊根據控制選擇不同的功能狀態的時間輸出，通過勢能控制模塊和顯示輸出模塊驅動7段數碼管顯示相應的時間。

1.2 系統功能要求

（1）具有時鐘秒表系統功能要求顯示功能，用4個數碼管分別顯示秒和百分秒；

（2）具有3種功能狀態：系統時間運行狀態，系統時間至零狀態，時鐘正常顯示狀態，通過輸入控制信號可以使系統在這3個狀態之間切換，使數碼管顯示相應狀態的時間；

（3）開啟時間設定、關閉時間設定可通過控制信號中的時間調節來設置，在秒設置方面每按一下，秒就會自動加1，采用60進制計數，當計數到59時又會恢復為00；百分秒設置方面每按一下，百分秒會自動加1，采用100進制計數，當計數到99時，向上進位并恢復00。系統時間可以同單獨的至零信號，將數碼管顯示時間直接恢復到00.00狀態。

2 模塊功能設計及仿真

2.1 分頻模塊

開發板提供的系統時鐘為50 MHz，通過分頻模塊3次分頻，將系統的時鐘信號分為100 Hz和1 000 Hz分別提供給計數模塊和勢能控制模塊作為時鐘控制信號。該模塊部分VHDL源程序如下：

2.2 計數模塊

計數模塊中，時鐘信號是100 Hz作為秒表的百分秒輸入，百分秒為100進制計數器，其進位輸出作為秒的計數時鐘，秒為60進制計數器。控制信號輸入端的begin-stop和reset信號控制計數器的開始、停止和至零。該模塊部分VHDL源程序如下，方針結果如圖2所示：

2.3 勢能控制模塊

本次設計選用的開發板數碼管擴展板的數碼顯示采用的是4個數碼管動態掃描輸出，一般只要每個掃描頻率超過人的眼睛視覺暫留頻率24 Hz以上就可以達到點亮單個顯示而不閃爍，掃描頻率采用1 kHz信號。通過勢能控制，每個數碼管的顯示頻率為250 Hz，滿足顯示要求。該模塊部分VHDL源程序如下：

2.4 顯示控制模塊

本次設計選用的開發板在4位數碼管輸入方面只提供1個數據接口，用來動態顯示4位數據，在數據輸入信號方面要做到和勢能控制信號同頻率輸出，才能保證數碼顯示不會出錯或顯示移位。該模塊部分VHDL源程序如下：

同時通過控制信號示系統處在不同的功能狀態：系統時間運行狀態，系統時間至零狀態，時鐘正常顯示狀態。利用功能轉換信號實現3個功能狀態之間的轉換，并產生相應的控制信號去控制顯示輸出模塊不同狀態的正確顯示。其部分源程序如下：

3 系統部分功能仿真

各部分模塊完成后，用QuartusⅡ對程序編譯、仿真、得到的仿真波形如圖3所示。

本系統采用的FPGA芯片為Altera公司的EP1C6Q240，用VHDL和QuartusⅡ軟件工具開發，設計輸入完成后，進行整體的編譯和邏輯仿真，然后進行轉換、延時仿真生成配置文件，最后下載至FPGA器件，完成結果功能配置，實現其硬件功能。

4 結 語

該系統運用先進的EDA軟件和VHDL，采用模塊法自頂向下的設計原則，并借助FPGA實現數字秒表的設計，充分體現了現代數字電路設計系統芯片化，芯片化設計的思想突破了傳統電子系統的設計模式，使系統開發速度快、成本低、系統性能大幅度地提升。