[FPGA]Verilog 60s秒表计时器（最大可计时间长达9min）

[FPGA]Verilog 60s秒表计时器

1.引述

    这次的实验来自于本人本科课程数电结课时的自选题目。由于这次上传是后知后觉，学校已将小脚丫板子回收，所以在这篇文章中没法贴出代码结果的效果图了，但最终效果已经过测试，可放心食用。那么下面就贴上代码并略加讲解供大家参考。

2.分频模块

我们要实现一个秒表，自然要将实验板中的时钟脉冲clk分频为一个周期为1s的脉冲，已知小脚丫板子的晶振为12MHz。下面贴上分频模块的代码。

module divide #
(                            //parameter是verilog里参数定义
parameter WIDTH    =    24,    //计数器的位数，计数的最大值为 2**(WIDTH-1)
parameter N        =    12_000_000 //分频系数，请确保 N<2**(WIDTH-1)，否则计数会溢出
)
(
input clk, //clk频率为12MHz
input rst_n, //复位信号，低有效，
output clkout //输出信号，可以连接到LED观察分频的时钟
);
reg    [WIDTH-1:0]    cnt_p,cnt_n; //cnt_p为上升沿触发时的计数器，cnt_n为下降沿触发时的计数器
reg    clk_p,clk_n; //clk_p为上升沿触发时分频时钟，clk_n为下降沿触发时分频时钟
//上升沿触发时计数器的控制
always @(posedge clk or negedge rst_n)    
    begin        
        if(!rst_n)
            cnt_p <= 1'b0;
        else if(cnt_p == (N-1))
            cnt_p <= 1'b0;
        else 
            cnt_p <= cnt_p + 1'b1; //计数器一直计数，当计数到N-1的时候清零，这是一个模N的计数器
    end
//上升沿触发的分频时钟输出,如果N为奇数得到的时钟占空比不是50%；如果N为偶数得到的时钟占空比为50%
always @(posedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            clk_p <= 1'b0;
        else if(cnt_p < (N>>1)) //N>>1表示右移一位，相当于除以2取商
            clk_p <= 1'b0;
        else 
            clk_p <= 1'b1; //得到的分频时钟正周期比负周期多一个clk时钟
    end
//下降沿触发时计数器的控制            
always @(negedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            cnt_n <= 1'b0;
        else if(cnt_n == (N-1))
            cnt_n <= 1'b0;
        else 
            cnt_n <= cnt_n + 1'b1;
    end
//下降沿触发的分频时钟输出，和clk_p相差半个clk时钟
always @(negedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            clk_n <= 1'b0;
        else if(cnt_n < (N>>1))  
            clk_n <= 1'b0;
        else 
            clk_n <= 1'b1;    //得到的分频时钟正周期比负周期多一个clk时钟
    end
wire    clk1 = clk; //当N=1时，直接输出clk
wire    clk2 = clk_p; //当N为偶数也就是N的最低位为0，N[0]=0，输出clk_p
wire    clk3 = clk_p & clk_n; //当N为奇数也就是N最低位为1，N[0]=1，输出clk_p&clk_n。正周期多所以是相与
assign clkout = (N==1)? clk1:(N[0]? clk3:clk2);    //条件判断表达式
endmodule

3.八位数码管显示模块 

小脚丫板子上有两个八位数码管显示，本实验中用来显示从00s到59s的显示。下面贴上数码管显示模块的代码。

module segment
(
input  wire [3:0] seg_data_1, //四位输入数据信号
input  wire [3:0] seg_data_2, //四位输入数据信号
output wire [8:0] segment_led_1, //数码管1，MSB~LSB = SEG,DP,G,F,E,D,C,B,A
output wire [8:0] segment_led_2  //数码管2，MSB~LSB = SEG,DP,G,F,E,D,C,B,A
);
reg[8:0] seg [15:0]; //存储7段数码管译码数据
initial 
    begin
        seg[0] = 9'h3f;   //  0
        seg[1] = 9'h06;   //  1
        seg[2] = 9'h5b;   //  2
        seg[3] = 9'h4f;   //  3
        seg[4] = 9'h66;   //  4
        seg[5] = 9'h6d;   //  5
        seg[6] = 9'h7d;   //  6
        seg[7] = 9'h07;   //  7
        seg[8] = 9'h7f;   //  8
        seg[9] = 9'h6f;   //  9
        seg[10]= 9'h77;   //  A
        seg[11]= 9'h7C;   //  b
        seg[12]= 9'h39;   //  C
        seg[13]= 9'h5e;   //  d
        seg[14]= 9'h79;   //  E
        seg[15]= 9'h71;   //  F
    end
   assign segment_led_1 = seg[seg_data_1];
   assign segment_led_2 = seg[seg_data_2];
endmodule

4.功能讲解

    在主模块中除了要例化上述的两个模块之外，还需给这个秒表添砖加瓦一下！标题中提到这是一个60s秒表，而我们数码管显示只从00到59，但最大计时量程却达到了9min，这是怎么办到的呢？这里我们就用到了小脚丫上的一排八位LED灯，每当计到59s时，下一秒数码管显示回到00，点亮八位LED灯中的一个，达到表示已计过了1min的作用。一共有八位LED灯，当八个灯都被点亮后，数码管还有一次从00到59的显示机会，这样我们就的得到了一个最大计时量程为9min的秒表啦！下面贴上八位LED灯显示部分的代码。

always@(posedge clk)
     if(cnt1==4'b0)
         LED[7:0]<=8'b11111111;
     else if(cnt1==4'b0001)
         LED[7:0]<=8'b11111110;
     else if(cnt1==4'b0010)
         LED[7:0]<=8'b11111100;
     else if(cnt1==4'b0011)
         LED[7:0]<=8'b11111000;
     else if(cnt1==4'b0100)
         LED[7:0]<=8'b11110000;
     else if(cnt1==4'b0101)
         LED[7:0]<=8'b11100000;
     else if(cnt1==4'b0110)
         LED[7:0]<=8'b11000000;
     else if(cnt1<=4'b0111)
         LED[7:0]<=8'b10000000;
     else if(cnt1<=4'b1000)
         LED[7:0]<=8'b00000000;

        此外作为一个秒表自然就要有暂停和开始计时的功能（当然清零功能也是有哒！主模块中就用rst复位键来实现，这里不多赘述。）暂停和开始计时这里我就用同一个按键实现。小脚丫板子上还有两个RGB三色灯，既然有这么好的资源存在，我们就要物尽其用！按下开始计时键时，秒表开始计时，数码管显示开始变化，此处我们让RGB三色灯中的一个等亮绿灯，表示处于正常计时状态中；当再次按键开启键时，秒表暂停，我们让另一个RGB三色灯亮红色，表示处于暂停状态。下面贴上包含三色灯点亮的部分代码。

always @(posedge clk1h or negedge rst) //产生60进制计数器
    begin    //数码管显示要按照十进制的方式显示
        if(!rst)
        begin
            cnt <= 8'h00; //复位初值显示00
            cnt1<=4'b0;
        end
        else if(flag)
            begin
            G_LED2<=1'b0;
            R_LED1<=1'b1;
                if(cnt[3:0] == 4'd9) //个位满九？
                    begin
                        cnt[3:0] <= 4'd0; //个位清零
                        if(cnt[7:4] == 4'd5 ) //十位满五？
                        begin
                            cnt[7:4] <= 4'd0; //十位清零
                            cnt1<=cnt1+1;
                        end
                        else
                        begin
                            cnt[7:4] <= cnt[7:4] + 1'b1; //十位加一
                            cnt1<=cnt1;
                        end
                    end
                else cnt[3:0] <= cnt[3:0] + 1'b1; //个位加一
            end
        else
        begin
            cnt <= cnt;
            G_LED2<=1'b1;
            R_LED1<=1'b0;
        end
    end

5.主模块

最后贴上主模块的代码，完成整个秒表的实现。

module counter60 
(
input clk,rst, //时钟和复位输入
input key, //启动暂停按键
output wire [8:0] segment_led_1,segment_led_2, //数码管输出
output reg [7:0] LED, //八位LED灯
output reg R_LED1,G_LED2 //RGB三色灯，此处用红色表示处于暂停状态中，绿色表示处于正常计时中
);
wire clk1h;    //1秒时钟
reg    [7:0] cnt;    //计时计数器
reg [3:0] cnt1; //分钟计数器
reg    flag; //启动暂停标志
 
divide #  //例化分频器产生1秒时钟信号
(
.WIDTH(24),
.N(12_000_000)
) u1
(
.clk(clk),
.rst_n(rst),
.clkout(clk1h)
);
segment u2 //例化数码管显示模块
(
.seg_data_1        (cnt[7:4]),  //seg_data input
.seg_data_2        (cnt[3:0]),  //seg_data input
.segment_led_1    (segment_led_1),  //MSB~LSB = SEG,DP,G,F,E,D,C,B,A
.segment_led_2    (segment_led_2)   //MSB~LSB = SEG,DP,G,F,E,D,C,B,A
);
always @(posedge clk or negedge rst) //产生标志信号
begin
if(!rst)
        flag = 1'b0;
else if(!key)
     begin
        flag = ~flag;
        end
    else
    begin
        flag = flag;
        end
end
always @(posedge clk1h or negedge rst) //产生60进制计数器
    begin    //数码管显示要按照十进制的方式显示
        if(!rst)
        begin
            cnt <= 8'h00; //复位初值显示00
            cnt1<=4'b0;
        end
        else if(flag)
            begin
            G_LED2<=1'b0;
            R_LED1<=1'b1;
                if(cnt[3:0] == 4'd9) //个位满九？
                    begin
                        cnt[3:0] <= 4'd0; //个位清零
                        if(cnt[7:4] == 4'd5 ) //十位满五？
                        begin
                            cnt[7:4] <= 4'd0; //十位清零
                            cnt1<=cnt1+1;
                        end
                        else
                        begin
                            cnt[7:4] <= cnt[7:4] + 1'b1; //十位加一
                            cnt1<=cnt1;
                        end
                    end
                else cnt[3:0] <= cnt[3:0] + 1'b1; //个位加一
            end
        else
        begin
            cnt <= cnt;
            G_LED2<=1'b1;
            R_LED1<=1'b0;
        end
    end
always@(posedge clk)
     if(cnt1==4'b0)
         LED[7:0]<=8'b11111111;
     else if(cnt1==4'b0001)
         LED[7:0]<=8'b11111110;
     else if(cnt1==4'b0010)
         LED[7:0]<=8'b11111100;
     else if(cnt1==4'b0011)
         LED[7:0]<=8'b11111000;
     else if(cnt1==4'b0100)
         LED[7:0]<=8'b11110000;
     else if(cnt1==4'b0101)
         LED[7:0]<=8'b11100000;
     else if(cnt1==4'b0110)
         LED[7:0]<=8'b11000000;
     else if(cnt1<=4'b0111)
         LED[7:0]<=8'b10000000;
     else if(cnt1<=4'b1000)
         LED[7:0]<=8'b00000000;
endmodule

module divide #
(                            //parameter是verilog里参数定义
parameter WIDTH    =    24,    //计数器的位数，计数的最大值为 2**(WIDTH-1)
parameter N        =    12_000_000 //分频系数，请确保 N<2**(WIDTH-1)，否则计数会溢出
)
(
input clk, //clk频率为12MHz
input rst_n, //复位信号，低有效，
output clkout //输出信号，可以连接到LED观察分频的时钟
);
reg    [WIDTH-1:0]    cnt_p,cnt_n; //cnt_p为上升沿触发时的计数器，cnt_n为下降沿触发时的计数器
reg    clk_p,clk_n; //clk_p为上升沿触发时分频时钟，clk_n为下降沿触发时分频时钟
//上升沿触发时计数器的控制
always @(posedge clk or negedge rst_n)    
    begin        
        if(!rst_n)
            cnt_p <= 1'b0;
        else if(cnt_p == (N-1))
            cnt_p <= 1'b0;
        else 
            cnt_p <= cnt_p + 1'b1; //计数器一直计数，当计数到N-1的时候清零，这是一个模N的计数器
    end
//上升沿触发的分频时钟输出,如果N为奇数得到的时钟占空比不是50%；如果N为偶数得到的时钟占空比为50%
always @(posedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            clk_p <= 1'b0;
        else if(cnt_p < (N>>1)) //N>>1表示右移一位，相当于除以2取商
            clk_p <= 1'b0;
        else 
            clk_p <= 1'b1; //得到的分频时钟正周期比负周期多一个clk时钟
    end
//下降沿触发时计数器的控制            
always @(negedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            cnt_n <= 1'b0;
        else if(cnt_n == (N-1))
            cnt_n <= 1'b0;
        else 
            cnt_n <= cnt_n + 1'b1;
    end
//下降沿触发的分频时钟输出，和clk_p相差半个clk时钟
always @(negedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            clk_n <= 1'b0;
        else if(cnt_n < (N>>1))  
            clk_n <= 1'b0;
        else 
            clk_n <= 1'b1;    //得到的分频时钟正周期比负周期多一个clk时钟
    end
wire    clk1 = clk; //当N=1时，直接输出clk
wire    clk2 = clk_p; //当N为偶数也就是N的最低位为0，N[0]=0，输出clk_p
wire    clk3 = clk_p & clk_n; //当N为奇数也就是N最低位为1，N[0]=1，输出clk_p&clk_n。正周期多所以是相与
assign clkout = (N==1)? clk1:(N[0]? clk3:clk2);    //条件判断表达式
endmodule

module segment
(
input  wire [3:0] seg_data_1, //四位输入数据信号
input  wire [3:0] seg_data_2, //四位输入数据信号
output wire [8:0] segment_led_1, //数码管1，MSB~LSB = SEG,DP,G,F,E,D,C,B,A
output wire [8:0] segment_led_2  //数码管2，MSB~LSB = SEG,DP,G,F,E,D,C,B,A
);
reg[8:0] seg [15:0]; //存储7段数码管译码数据
initial 
    begin
        seg[0] = 9'h3f;   //  0
        seg[1] = 9'h06;   //  1
        seg[2] = 9'h5b;   //  2
        seg[3] = 9'h4f;   //  3
        seg[4] = 9'h66;   //  4
        seg[5] = 9'h6d;   //  5
        seg[6] = 9'h7d;   //  6
        seg[7] = 9'h07;   //  7
        seg[8] = 9'h7f;   //  8
        seg[9] = 9'h6f;   //  9
        seg[10]= 9'h77;   //  A
        seg[11]= 9'h7C;   //  b
        seg[12]= 9'h39;   //  C
        seg[13]= 9'h5e;   //  d
        seg[14]= 9'h79;   //  E
        seg[15]= 9'h71;   //  F
    end
   assign segment_led_1 = seg[seg_data_1];
   assign segment_led_2 = seg[seg_data_2];
endmodule

6.总结

       到这里整个秒表就完成啦。最后再次向读者们道歉，不能贴上实验效果图了。身边有实验板的读者们可以将代码烧录进板子观察现象。本人编程水平、时间有限，这篇文章到这里就要结束啦，欢迎广大读者评论留言，更欢迎大家指出本人的不足，希望能通过交流自身得到提高。最后感谢大家的耐心阅读！