數(shù)字時鐘在FPGA設(shè)計中較為常見，其主要包含時鐘、分鐘、秒鐘，以及必備的校時功能，當然還可以根據(jù)需要加入年、月，日，周，星期或者鬧鐘設(shè)置等元素。

在這里，我們給小伙伴分享如何通過FPGA實現(xiàn)顯示年、月、日、周、時、分、秒且能精準校時的數(shù)字時鐘。

一、設(shè)計任務(wù)

通過FPGA編程驅(qū)動實時時鐘芯片DS1340Z，實現(xiàn)時間寫入和讀出的功能，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)編碼器獲取操作信息，根據(jù)編碼器操作信息控制數(shù)字時鐘的邏輯（包括時間調(diào)節(jié)，顯示控制），最后驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)字時鐘信息。

二、設(shè)計準備

硬件：小腳丫FPGA核心板、時鐘芯片DS1340Z、旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)碼管

軟件：Quartus Prime/Lattice Diamond

三、設(shè)計結(jié)構(gòu)

四、設(shè)計原理

1.實時時鐘芯片DS1340Z模塊

實時時鐘芯片DS1340Z模塊電路圖如下（上拉電阻未顯示），模塊電路中有電池座，電池電壓范圍為1.3V~5.5V，當安裝電池后底板掉電不影響實時時鐘芯片的運行，重新上電后讀取實時時鐘數(shù)據(jù)。另外，芯片內(nèi)部集成了起振電阻電容，只需外置時鐘晶振32.768KHz直接連接即可。

2.旋轉(zhuǎn)編碼器模塊

機械增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)過程中提供周期性輸出，不能定位絕對位置，只能用于感知運動方向和增量，其電路圖如下，本設(shè)計所使用的旋轉(zhuǎn)編碼器為EC11系列的，支持按動開關(guān)，共有5個管腳：

1、2管腳支持按動開關(guān)，如同獨立按鍵連接方式。

3、4、5管腳支持旋轉(zhuǎn)編碼，4腳為公共端，3、5管腳分別為旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B相輸出，如上圖所示，4腳接地，3、5管腳則需接上拉電阻，同時為了降低輸出脈沖信號的抖動干擾，增加了電容到地做硬件去抖。

五、設(shè)計驅(qū)動過程

1.DS1340Z驅(qū)動設(shè)計

DS1340Z支持I2C通信400KHz快速模式同時兼容100KHz的標準模式，還有兩種模式下時序中的各種時間參數(shù)，本設(shè)計中，通過分頻得到400KHz的時鐘。

I2C時序基本單元（啟動、停止、發(fā)送、接收、發(fā)應(yīng)答、讀應(yīng)答）協(xié)議里統(tǒng)一的，所以所以基本單元狀態(tài)的設(shè)計也是不需要調(diào)整的。

啟動時序狀態(tài)設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計實驗。

發(fā)送單元和讀應(yīng)答單元合并，時序狀態(tài)設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計實驗。

接收單元和寫應(yīng)答單元合并，時序狀態(tài)設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計實驗。

停止時序狀態(tài)設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計實驗。

DS1340Z芯片有很多寄存器，用于存儲實時時鐘的時間信息，同時芯片支持連續(xù)讀、寫寄存器操作（寄存器地址自加1），其設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)如下：

連續(xù)寫寄存器：

連續(xù)讀寄存器：

上面兩段程序就是對于DS1340Z芯片的兩種操作，調(diào)時間和讀時間，對于時鐘來說因為有電池供電，實時時鐘一直都處于工作狀態(tài)，當給FPGA上電時只需要讀時間即可，只有遇到時間不對的時候才需要調(diào)時間，所以DS1340Z驅(qū)動模塊平時都在循環(huán)讀取時間，所以如果將調(diào)時間和讀時間的時序操作融合到同一個狀態(tài)下時，對于cnt_main要加以控制，cnt_main初值為12，且運行軌跡在12~32之間，控制程序調(diào)整如下：

上面set_flag為時間調(diào)整標志位，只有按動編碼器在調(diào)時間模式時需要用到寫時間數(shù)據(jù)的操作流程，可以根據(jù)按鍵脈沖置位set_flag并自鎖，每次完成寫入操作后再將set_flag復(fù)位。程序?qū)崿F(xiàn)如下：

模塊端口如下：

到這里就完成了萬年歷中DS1340Z模塊的驅(qū)動設(shè)計，宏觀上講，該模塊的功能可以這樣描述：

正常模式下循環(huán)讀取時間信息，并把時間數(shù)據(jù)輸出

由旋轉(zhuǎn)編碼器按動脈沖信號key_set觸發(fā)進行一次寫操作，用于調(diào)節(jié)時間

每次寫操作調(diào)節(jié)時間的時間數(shù)據(jù)由其他模塊提供

2.旋轉(zhuǎn)編碼器驅(qū)動設(shè)計

機械增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的原理示意圖，中間圓形齒輪連接到旋轉(zhuǎn)編碼器的公共端4管腳，A、B兩個觸點連接到旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B相輸出端3、5管腳，當進行旋轉(zhuǎn)操作時，A、B觸點會先后接觸和錯開圓形齒輪，從而導(dǎo)致A、B相輸出信號產(chǎn)生相位不同的脈沖信號：

順時針旋轉(zhuǎn)時，A觸點超前于B觸點接觸和錯開圓形齒輪，A信號脈沖相位超前

逆時針旋轉(zhuǎn)時，B觸點超前于A觸點接觸和錯開圓形齒輪，B信號脈沖相位超前

對A信號采樣程序?qū)崿F(xiàn)如下（對B信號一樣）：

然后簡單去抖處理程序?qū)崿F(xiàn)如下（對B信號一樣）：

檢測A信號的邊沿程序?qū)崿F(xiàn)如下：

最后根據(jù)A信號邊沿與B信號的狀態(tài)組合判定旋轉(zhuǎn)的信息。

旋轉(zhuǎn)脈沖輸出程序?qū)崿F(xiàn)如下：

通過上面程序最終實現(xiàn)了左旋右旋的脈沖輸出，脈沖的脈寬等于系統(tǒng)時鐘的周期。

3.模式控制：

本設(shè)計要實現(xiàn)8個模式（常態(tài)、調(diào)年、調(diào)月、調(diào)日、調(diào)周、調(diào)時、調(diào)分、調(diào)秒），對8個狀態(tài)編碼，常態(tài)—0、調(diào)秒—1、調(diào)分—2、調(diào)時—3、調(diào)周—4、調(diào)日—5、調(diào)月—6、調(diào)年—7，通過按動旋轉(zhuǎn)編碼器切換，按照常識調(diào)時間從大到小調(diào)節(jié)，先調(diào)節(jié)年份最后調(diào)秒鐘，所以我們這8個狀態(tài)的狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)順序是固定的（0→7→6→5→4→3→2→1→0），依次循環(huán)跳轉(zhuǎn)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

4.調(diào)時控制：

調(diào)時控制在不同的調(diào)節(jié)模式對不同時間進行調(diào)整，我們分別以常態(tài)模式和調(diào)秒模式為例進行分析。時間調(diào)節(jié)要以當時的時間為基礎(chǔ)，常態(tài)模式下不需要調(diào)整任何時間，但是可以將實時時鐘讀出的時間數(shù)據(jù)賦給調(diào)節(jié)變量，這樣等跳轉(zhuǎn)到調(diào)節(jié)模式時對調(diào)節(jié)變量的控制就是以當時的時間為基礎(chǔ)了，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

調(diào)秒模式與其他調(diào)節(jié)模式操作一樣，不同的是調(diào)節(jié)的規(guī)則不同，例如秒和分的調(diào)節(jié)范圍為0~59，小時調(diào)節(jié)范圍0~11或0~23，日期調(diào)節(jié)范圍需要考慮年和月的值（1、3、5、7、8、10、12月范圍1~31，4、6、9、11月范圍1~30，2月平年范圍1~28，2月閏年范圍1~29），周調(diào)節(jié)范圍1~7，月調(diào)節(jié)范圍1~12，年調(diào)節(jié)范圍0~99。對秒鐘數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

5.顯示控制:

首先使用8位數(shù)碼管分兩頁顯示時鐘數(shù)據(jù)，第一頁顯示年月日周，第二頁顯示時分秒。任何一項時間選項都由兩位數(shù)碼管顯示，每頁最多顯示4個時間選項，我們可以使用4位的變量disp_en[3:0]控制4個時間選項的點亮或熄滅，disp_en[3]控制最左側(cè)兩個數(shù)碼管，disp_en[0]控制最右側(cè)兩個數(shù)碼管，我們分別以常態(tài)模式和調(diào)秒模式為例進行顯示使能控制的分析。常態(tài)模式下，轉(zhuǎn)動編碼器控制顯示頁碼，兩個頁碼對應(yīng)的顯示控制，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

調(diào)秒模式下，小時和分鐘數(shù)碼管點亮，秒鐘閃爍顯示，轉(zhuǎn)動編碼器時秒鐘強制顯示，最后按動旋轉(zhuǎn)編碼器切到常態(tài)模式時，時分秒數(shù)碼管都回復(fù)顯示，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

數(shù)碼管與時間選項是對應(yīng)關(guān)系，每個選項對應(yīng)兩位數(shù)碼管，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

時鐘顯示分兩頁實現(xiàn)，我們以最右側(cè)兩個數(shù)碼管顯示內(nèi)容為例，這兩位數(shù)碼管在第一頁中顯示周數(shù)據(jù)，在第二頁中顯示秒數(shù)據(jù)，那么我們怎么控制顯示內(nèi)容呢？分析，萬年歷8中模式，

常態(tài)模式下，顯示讀取的實時時鐘數(shù)據(jù)，具體顯示周還是秒再次細化

? disp_en等于4'b1111的時候，對應(yīng)第一頁，顯示周數(shù)據(jù)

? disp_en等于4'b0111的時候，對應(yīng)第二頁，顯示秒數(shù)據(jù)

常態(tài)模式下，根據(jù)disp_en選擇顯示周數(shù)據(jù)還是秒數(shù)據(jù)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

調(diào)節(jié)模式下，顯示寫入的調(diào)節(jié)時鐘數(shù)據(jù)，具體顯示周還是秒再次細化

? 調(diào)年、調(diào)月、調(diào)日、調(diào)周 狀態(tài)下（state>=3），對應(yīng)第一頁，顯示周數(shù)據(jù)

? 調(diào)時、調(diào)分、調(diào)秒 狀態(tài)下（state<3），對應(yīng)第二頁，顯示秒數(shù)據(jù)

調(diào)節(jié)模式下，根據(jù)state選擇顯示周數(shù)據(jù)還是秒數(shù)據(jù)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

最后根據(jù)常態(tài)模式還是調(diào)節(jié)模式控制數(shù)碼管顯示實時時鐘數(shù)據(jù)還是調(diào)節(jié)時鐘數(shù)據(jù)

根據(jù)state選擇顯示實時時鐘數(shù)據(jù)還是調(diào)節(jié)時鐘數(shù)據(jù)，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

到這里為止，就完成了數(shù)字時鐘的設(shè)計，當然在本設(shè)計中，可以通過簡化只留下時分秒及調(diào)時功能，實現(xiàn)24小時計時，省去對于頁的判斷。同時對于旋轉(zhuǎn)編碼器有難度的，可以改為按鍵調(diào)時。有興趣的小伙伴可以動手試試哦~