基于VHDL语言的超长时间定时器设计及实现

引言

传统的定时器硬件连接比较复杂，可靠性差，而且计时时间短，难以满足需要。本设计采用可编程芯片和VHDL语言进行软硬件设计，不但可使硬件大为简化，而且稳定性也有明显提高。由于可编程芯片的频率精度可达到50 MHz，因而计时精度很高。本设计采用逐位设定预置时间，其最长时间设定可长达99小时59分59秒。完全可以满足用户的需要，使用也更为方便。

1 系统原理

本定时器的核心器件为EP1C6Q240C8芯片。该芯片有选位、置位、启动、复位、倒计时等功能，显示采用2个3位LED数码管，并采用共阴接法，可以动态扫描显示。其系统原理如图1所示。

2 硬件设计

本系统共有两大模块，分别为控制／定时模块和显示模块。其中控制／定时模块包括按键的功能定义和计时的逻辑定义。显示模块则包括片选模块、位扫描模块和数码管译码模块。

设计时可将秒信号输入控制／定时模块，此时系统将输出六个四位BCD码，以分别表示时、分、秒位。在预置数时，计数器可以秒的速度递增，从而实现逐位预置数；而在定时倒计数时，计数器可以秒的速度递减，从而实现倒计时。系统中的位选择器用于对六位进行循环扫描输出，并将扫描输出送到译码器。译码器模块可对输入的四位进行译码，同时在设置数值时用6个LED灯分别指示其所设置的位。

该系统硬件由两部分组成，一部分是EPlC6Q240C8芯片，另一部分是按键，译码器，LED数码管，发光二极管及可编程芯片的支持电路。图2所示是其AAA控制定时模块的引脚排列。其主要功能引脚的定义如下：

Setw(置位键)：用于选定定时器所需定时的对应位。发光二极管对应七段数码管设置，当选定对应的位时，相应的发光二极管亮；

Set(置数键)：用于设置选定位的具体数值；

Start键：用于设定好时间后启动秒表计时。可通过软件使start按键经过锁存器后进人AAA模块。Start触发后可产生持续的高电平；

ALM(扬声器)：可在计时结束时发声报警；

Clr(清零键)：用于计时器的清零复位；

七段数码管用于显示定时数字，set模块用控制数码管的扫描频率。

3 主要模块软件程序

图3所示是该定时器的软件系统构成。本软件包括控制／定时模块和显示模块两大部分。

3.1 控制／定时模块

AAA控制／定时模块是该定时器的核心部分，该模块的程序流程图如图4所示。

当START为高电平时，该定时器将进入倒计时阶段。当CLK脉冲上升沿到来时，计数以秒的速度减1，直到计时结束，使ALM位为高电平为止。CLR为复位端，可用来清零，通常采用异步复位方式。SETW用于选位，高电平有效。SET用于对选定的位进行置数，也是高电平有效。ALM输出端将在定时结束时产生高电平。Q0～Q5为四位BCD码输出端口，主要用于显示。

3.2 显示模块

通过XUAN模块可完成BCD码的转化，再经DISP模块译码．然后输出给七段数码管。

(1)XUAN模块

XUAN可产生四位BCD码输入，并从sel端输出。该模块的管脚图如图5所示。其源程序代码如下：

(2)DISP模块

DISP模块主要用于译码，可定义七段数码管显示的数字。其源程序如下：

4 系统仿真及结果

图6所示是对AAA控制／定时模块的仿真结果。由此结果可见，当setw置“1”时，statea位选从0到5循环，分别代表六个数码管的位置。当start置“1”时，q5-q0进行借位减法。q5、q4表示小时，最高可到99小时；q3、q2表示分钟，最高59分钟；q1、q0表示秒，最高为59秒。

5 结束语

本设计从总体要求出发，采用模块化设计方法，实现了长达99小时的定时设计。同时采用QuartusⅡ4.0仿真环境进行了仿真。结果证明，本系统可以实现理想的定时操作而且设计体现了人性化，具有较强的实际应用价值。