篮球计分器设计VHDL代码Quartus DE2-115开发板

名称：篮球计分器设计VHDL代码Quartus? DE2-115开发板

软件：Quartus

语言：VHDL

代码功能：

任务与要求:

1、具有24s(也可假定30s)计时、显示；

2、可对计时器清零、置数、启动和暂停；

3、30秒倒计时；

4、两个数码管显示两队比分；

5、超时报警并可解除报警。

FPGA代码Verilog/VHDL代码资源下载：www.hdlcode.com

本代码已在DE2-115开发板验证，DE2-115开发板如下，其他开发板可以修改管脚适配：

演示视频：

第三部分?详细设计过程

整体设计分析：顶层电路包括输入端口有：clk_in(50MHz时钟输入端口)，reset_p（复位信号），start（开始、继续信号），stop（暂停信号），score_1（1队分数），score_2（2队分数输入端口），其中reset_p高电平有效，start、stop端口均为低电平有效。

输出端口有：LED（闪烁报警），HEX0（显示秒个位）、HEX1（显示秒十位）、HEX2（显示1队分数）、HEX3（显示2队分数）。

图2?顶层模块

图形分析：顶层模块由分频模块，倒计时模块，数码管显示模块3个模块组成。其中，分频模块输入50MHz时钟，输出1Hz信号；倒计时模块在开始、暂停按键控制下输出秒倒计时信号和LED报警信号；数码管显示模块将两队分数和秒倒计时信号通过数码管显示。

3.1分频模块

3.1.1?模块功能描述

在这个模块中主要实现50MHz的时钟转换为1Hz的信号，DE2-115板子上的晶振为50MHz，而倒计时为一秒一次，即1Hz，故需要将50MHz的信号转换为1Hz的信号。50MHz对应周期为20ns，1Hz对应周期为1s，两者相差50000000倍。

为到达分频的目的，可以使用计数器来设计，即将50MHz的信号进行计数，一共计数5000000次后就是1s，计数到50000000后计数器清零，重新开始计数，这样循环往复就能的带周期性的1Hz信号。

3.1.2模块设计思想

设计分频模块时，我设计了1个进程，定义time_count为一个32位的计数器，使用50MHz的clk_in信号作为时钟，在时钟上升沿进行计数，当计数到“00000010111110101111000010000000”时清零，重新开始计数。“00000010111110101111000010000000”表示二进制的50000000。当计数到50000000时，控制clk_1Hz输出高电平，否则输出低电平。这样得到的clk_1Hz信号就是1秒钟输出一次脉冲的1Hz信号。

电路模块图如下所示：

图4?分频模块

图4所示为分频模块框图，clk_in为时钟信号输入，clk_1Hz为输出。

3.1.3设计关键知识点

在进程设计种使用了一个32位的计数器信号time_count，需要计数到“00000010111110101111000010000000”，该计数值是一个很大得

数，在进行模块仿真时会耗费大量时间，因此仿真时可以将改计数器改小，本设计改小为"00000000000000000000000000010000"，即仿真时用这个小的计数器，用于仿真验证功能。实际需要上板调试时再改为大数。在该模块中调用ieee.std_logic_1164.all库和ieee.std_logic_unsigned.all库，并且确定输入输出信号的类型^[4]。

实体部分如下：

LIBRARY?ieee;

USE?ieee.std_logic_1164.all;

USE?ieee.std_logic_unsigned.all;

--分频模块，分频到1Hz

ENTITY?fenping?IS

PORT?(

clk_in???:?IN?STD_LOGIC;

clk_1Hz??:?OUT?STD_LOGIC--输出1Hz

);

END?fenping;

3.2倒计时模块

3.2.1模块功能描述

在这个模块中主要实现秒钟倒计时功能且倒计时结束后LED闪烁报警。当按下reset_p信号时，模块复位，按下start信号时开始倒计时，按下stop信号暂停，再次按下start信号时继续倒计时，直到倒计时为0后，LED闪烁报警。

该模块输入信号有系统时钟信号clk_in，倒计时时钟clk_1Hz，复位清零信号reset_p，启动、继续信号start，暂停信号stop。

输出有闪烁报警信号LED，秒信号second_time。

该模块使用状态机实现，一共分为s_idle,s_down_cnt,s_stop,s_end这4个状态。系统复位时处于s_idle状态，表示空闲。当按下start信号时，系统启动，进入s_down_cnt状态，该状态为倒计时状态，在这个状态下second信号按每秒一次递减，当second减为0时，进入s_end状态，表示结束。当second未减到0时，按下stop按键，则进入s_stop状态，表示暂停。在暂停状态下，按下start信号，进入s_down_cnt状态继续倒计时。

状态机的状态转移图如下：

图5?倒计时模块状态机图

3.2.2模块设计思想

该模块用于倒计时控制及结束LED报警闪烁，模块输入信号有系统时钟信号clk_in，倒计时时钟clk_1Hz，复位清零信号reset_p，启动、继续信号start，暂停信号stop。输出有闪烁报警信号LED，秒信号second_time。输入信号start、stop控制倒计时的启动和暂停，reset_p控制计数器复位。通过状态机控制s_idle,s_down_cnt,s_stop,s_end这4个状态的切换。在s_down_cnt状态下，控制second信号倒计时。

倒计时采用clk_1Hz为计时信号，每来一次clk_1Hz信号倒计时一次。在s_end状态时输出LED报警信号，LED闪烁频率为2Hz，也是采用分频思路，产生一个2Hz的信号。倒计时模块电路如下：

图6?倒计时模块

3.2.3设计关键知识点

本模块的关键在于状态机的设计，状态机在实现流程控制方面是首选的方法。倒计时控制信号包括启动。暂停按键以及倒计时的second信号。在这些信号控制下，状态机会进入不同的状态，然后在不同的状态下，我们可以控制信号倒计时以及LED闪烁。实体部分如下：

LIBRARY?ieee;

USE?ieee.std_logic_1164.all;

USE?ieee.std_logic_unsigned.all;

--倒计时模块

ENTITY?jishi?IS

PORT?(

clk_in???????:?IN?STD_LOGIC;

clk_1Hz??????:?IN?STD_LOGIC;--1Hz信号

reset_p??????:?IN?STD_LOGIC;--复位清零

start????????:?IN?STD_LOGIC;--启动、继续

stop?????????:?IN?STD_LOGIC;--暂停

LED??????????:?OUT?STD_LOGIC;--闪烁报警

second_time??:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0)--秒

);

END?jishi;

3.3数码管显示模块

3.2.1模块功能描述

在这个模块中主要实现数码管的显示，本模块显示秒倒计时以及1队分数和2队分数。输入信号有clk时钟，second_time秒倒计时，score_1为1队分数，score_2为2队分数。输出为HEX0（显示秒个位）、HEX1（显示秒十位）、HEX2（显示1队分数）、HEX3（显示2队分数）。数码管显示实际上是实现译码器，数码管为8段数码管，即有8个段组成，如下图：

如要显示数字1，则上图中的1,2段点亮即可。若要显示数字2，则需要点亮0、1、6、4、3段，以此类推。本模块就是将十进制数字转换为数码管需要点亮的段。

3.2.2模块设计思想

该模块用于显示倒计时以及2队分数。倒计时为30s倒计时到0，因此需要2个数码管显示，一个显示十位，一个显示个位。因此需要将second_time信号转换为十位和个位，转换方法为将second_time除以10，得到的商即为十位数据，然后再将second_time减去商除以10，得到的就是个位。最后再通过一个case语句将十进制数据转换为对应数码管段的点亮信号。即实现数码管译码。

倒计时模块电路如下：

图6?显示模块

3.2.3设计关键知识点

本模块的关键在于计算倒计时的十位和个位，以及数码管译码器。将

second_time除以10，得到的商即为十位数据，然后再将second_time减去商除以10，得到的就是个位，译码器采用case语句实现。实体部分如下：

LIBRARY?ieee;

USE?ieee.std_logic_1164.all;

USE?ieee.std_logic_unsigned.all;

USE?ieee.std_logic_arith.all;

--数码管显示模块

ENTITY?display?IS

PORT?(

clk?????????:?IN?STD_LOGIC;

second_time??:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);--秒钟

score_1????:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(3?DOWNTO?0);--1队分数

score_2??:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(3?DOWNTO?0);--2队分数

HEX0????????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);

HEX1????????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);

HEX2????????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);

HEX3????????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0)

);

END?display;

第四部分?功能仿真

4.1分频模块仿真波形

上图为分频模块仿真图，图中clk_in为输入50MHz的时钟，输出clk_1Hz为1Hz的脉冲信号。程序种设计种使用了一个32位的计数器信号time_count，需要计数到“00000010111110101111000010000000”，该计数值是一个很大得数，在进行模块仿真时会耗费大量时间，因此仿真时将改计数器改小，本设计改小为"00000000000000000000000000010000"。可以看到clk_1Hz信号每个一段时间输出一个脉冲信号，因此功能仿真正确。

4.2倒计时模块仿真波形

图中输入为clk_in,clk_1Hz,reset_p,start，stop,输出为second_time和LED。复位后，按下start信号，开始倒计时，可以看到图上second_time从30开始减小，减小按clk_1Hz的频率变化。按下stop信号后,暂停倒计时，second_time信号保持9不。再次按下start信号后，继续倒计时，second_time继续减小直到0。此时LED开始闪烁，即高低电平变化。按下stop后，LED停止报警。

4.3数码管显示模块仿真波形

图中输入为clk,score_1,score_1,second_time,输出为HEX0~3.其中秒钟个位对应HEX0，秒

钟十位对应HEX1，1对分数对应HEX2,2队分数对应HEX3。可以看到图中1队分数为0001，即1分，对应的数码管译码值为11111001，2队分数为0010，即2分，对应的数码管译码值为10100100，数码管为共阴极，即低电平亮，故11111001对应显示为1，10100100对应显示为2。秒钟十位和个位的显示类似，对应HEX0和HEX1。

4.4整体仿真

 

仿真分析：

图中clk_in为输入50MHz的时钟，在start按下后，HEX0为1Hz变化一次，即按分频模块的1Hz信号的频率变化。???????????????????????????????????????---分频模块

图中复位后，按下start信号，开始倒计时，可以看到图上HEX1初始为10110000（对应数字3），HEX0初始为11000000（对应数字0），表示秒从30开始减小，减小按clk_1Hz的频率变化。按下stop信号后,暂停倒计时，HEX0和HEX1信号保持不变。再次按下start信号后，继续倒计时，继续减小直到11000000（对应数字0）。此时LED开始闪烁，即高低电平变化。按下stop后，LED停止报警。???????????????????????????---倒计时模块

其中秒钟个位对应HEX0，秒钟十位对应HEX1，1对分数对应HEX2,2队分数对应HEX3。按共阴极的7段数码管方式译码，例如10110000（对应数字3），11000000（对应数字0）。最终1队分数显示1,2队分数显示2，倒计时数码管显示“00”。?---显示模块

1.?工程文件

2.?程序文件

3.?程序编译

4.?RTL图

状态图

5.?管脚图

6.?仿真图

整体仿真图

分频模块仿真图

倒计时模块仿真图

显示模块仿真图

部分代码展示:

LIBRARY?ieee;
???USE?ieee.std_logic_1164.all;
--篮球计时器
ENTITY?Basketball_clock?IS
???PORT?(
??????clk_in???:?IN?STD_LOGIC;
??????reset_p??:?IN?STD_LOGIC;--复位清零
??????start????:?IN?STD_LOGIC;--开始、继续
??????stop?????:?IN?STD_LOGIC;--暂停
??????score_1??:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(3?DOWNTO?0);--1队分数
??????score_2??:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(3?DOWNTO?0);--2队分数
??????LED??????:?OUT?STD_LOGIC;--闪烁报警
??????HEX0?????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);--数码管段选
??????HEX1?????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);--数码管段选
??????HEX2?????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);--数码管段选
??????HEX3?????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0)?--数码管段选
???);
END?Basketball_clock;
ARCHITECTURE?behave?OF?Basketball_clock?IS
--50M分频到1hz
???COMPONENT?fenping?IS
??????PORT?(
?????????clk_in???:?IN?STD_LOGIC;
?????????clk_1Hz??:?OUT?STD_LOGIC
??????);
???END?COMPONENT;
?--倒计时模块??
???COMPONENT?jishi?IS
??????PORT?(
?????????clk_in???:?IN?STD_LOGIC;
?????????clk_1Hz??:?IN?STD_LOGIC;
?????????reset_p??:?IN?STD_LOGIC;
?????????start????:?IN?STD_LOGIC;
?????????stop?????:?IN?STD_LOGIC;
?????????LED??????:?OUT?STD_LOGIC;
?????????second_time?:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0)
??????);
???END?COMPONENT;
???
--数码管显示模块
COMPONENT?display?IS
???PORT?(
??????clk?????????:?IN?STD_LOGIC;
??????
??????second_time??:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);--秒钟
??????score_1????:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(3?DOWNTO?0);--1队分数
??????score_2??:?IN?STD_LOGIC_VECTOR(3?DOWNTO?0);--2队分数
??????
??????HEX0????????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);
??????HEX1????????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);
??????HEX2????????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);
??????HEX3????????:?OUT?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0)
???);
END?COMPONENT;
???
???SIGNAL?clk_1Hz?????:?STD_LOGIC;
???SIGNAL?second_time?:?STD_LOGIC_VECTOR(7?DOWNTO?0);
BEGIN
--50M分频到1hz
???i_fenping?:?fenping
??????PORT?MAP?(
?????????clk_in???=>?clk_in,
?????????clk_1Hz??=>?clk_1Hz--1Hz
??????);
???
???
--倒计时模块???
???i_jishi?:?jishi
??????PORT?MAP?(
?????????clk_in???????=>?clk_in,
?????????clk_1Hz??????=>?clk_1Hz,
?????????reset_p??????=>?reset_p,--复位
?????????start????????=>?start,--开始
?????????stop?????????=>?stop,--暂停
?????????LED??????????=>?LED,--闪烁报警
?????????second_time??=>?second_time--秒
??????);

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