一、設(shè)計簡要概況：

本設(shè)計基于手機上的數(shù)字秒表進行設(shè)計，結(jié)合VGA顯示，蜂鳴器的使用以及開發(fā)板的相關(guān)基礎(chǔ)知識可以實現(xiàn)計時和倒計時兩種功能。通過參考學(xué)習(xí)指導(dǎo)書上的簡要代碼，自我設(shè)計編寫數(shù)字秒表的所有核心代碼并下板驗證其功能。數(shù)字秒表的設(shè)計靈感源于生活，使設(shè)計者更為清楚地了解到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)過程，掌握一定的設(shè)計能力，為今后的學(xué)習(xí)實踐奠定堅實的基礎(chǔ)。

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二、設(shè)計功能介紹：

(1)?計時功能

l?計時與暫停：將rst_n置1，xuanze置1，進入計時功能狀態(tài)，將play2置1，秒表開始計時，計時最大范圍可達到59分59秒，當(dāng)play置0時，即時停止，系統(tǒng)維持當(dāng)前停止時刻的時間保持不變。

l?記錄與保存：在計時的過程中，通過按按鈕讓record在短時間內(nèi)置1，可記錄計時過程中的三個時刻，如果按按鈕的次數(shù)大于三次，從第四次開始將會覆蓋之前保存過的時刻數(shù)據(jù)。通過將[2:0]check所代表的開發(fā)板最左邊三個開關(guān)分別置1，可以查看之前保存的時刻數(shù)據(jù)，優(yōu)先級為check[2]>check[1]>check[0]。

l?時間顯示：將rst_n2置1，計時功能可以通過七段數(shù)碼管來顯示時間，左邊兩個用于顯示分鐘，右邊兩個用于顯示秒數(shù)，當(dāng)計時停止時（play=0），七段數(shù)碼管保持當(dāng)前時刻的秒數(shù)保持不變。

(2)?倒計時功能

l?倒計時與暫停：將rst_n置1，xuanze置0，進入倒計時功能狀態(tài)，系統(tǒng)規(guī)定倒計時時長為1分鐘，將play置1，秒表開始計倒時，將play置0，秒表停止在當(dāng)前時刻，可通過系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定不同的倒計時時長。

l?鬧鈴歌曲：當(dāng)計時結(jié)束時，開發(fā)板會通過蜂鳴器自動循環(huán)播放《天空之城》，作為鬧鐘的提示音提醒時間已到，通過將rst_n置0，停止播放，并讓計時器恢復(fù)到起始狀態(tài)。

l?時間顯示：將rst_n2置1，計時功能可以通過七段數(shù)碼管和VGA顯示屏分別顯示時間，左邊兩個七段顯示管用于顯示分鐘，右邊兩個用于顯示秒數(shù)，當(dāng)?shù)接嫊r結(jié)束時VGA顯示屏上的數(shù)字自動消失，開發(fā)板最左邊的LED會亮起。

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三、設(shè)計原理

(1)?VGA顯示原理

1.?VGA的概念

VGA的英文全稱是Video?Graphic Array，即顯示繪圖陣列。VGA 支持640X480的較高分辨率下同時顯示16種色彩或256 種灰度，同時在320X240?分辨率下可以同時顯示256 種顏色。肉眼對顏色的敏感遠大于分辨率，所以即使分辨率較低圖像依然生動鮮明。VGA?由于良好的性能迅速開始流行，廠商們紛紛在VGA 基礎(chǔ)上加以擴充，如將顯存提高至1M 并使其支持更高分辨率800*600或1024?*768，這些擴充的模式就稱之為VESA的Super VGA 模式，簡稱SVGA，現(xiàn)在的顯卡和顯示器都支持SVGA 模式。不管是VGA 還是SVGA，使用的連線都是15針的梯形插頭，傳輸模擬信號。

2.?VGA的接口信號

目前大多數(shù)計算機與外部顯示設(shè)備之間都是通過模擬VGA 接口連接，計算機內(nèi)部以數(shù)字方式生成的顯示圖像信息，被顯卡中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>R、G、Ｂ三原色信號和行、場同步信號，信號通過電纜傳輸?shù)斤@示設(shè)備中。本例中，VGA 接口是標(biāo)準(zhǔn)的15針接口，有五個接口信號，如下表。

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3.行同步和場同步

為了實現(xiàn)發(fā)送端與接受端圖像各點一一正確對應(yīng)，發(fā)送端與接收端的掃描必須同步。同步脈沖是周期穩(wěn)定，邊沿陡峭的脈沖。按我國電視標(biāo)準(zhǔn)，行同步脈沖的頻率等于行頻為15.625KHZ，行周期為64us。在電視技術(shù)中常以64us 作為時間單位，并以H 表示，即1H＝64us。場同步脈沖頻率等于場頻為50HZ， 場周期為20ms，即312.5H。行同步脈沖寬度為4.7us 左右，場同步脈沖寬度為2.5～3H。

（2）蜂鳴器發(fā)聲原理

1、音調(diào)的控制

頻率的高低決定音調(diào)的高低。簡譜中從低音1 到高音1 的每個音名對應(yīng)的頻率如下表所示。

考慮到如果基頻過低，則由于分頻比太小，造成四舍五入后誤差較大；如果基頻過高，雖然誤差減小了，但是分頻數(shù)變大。綜合以上兩個因素，選擇5MHz 作為基頻。由于實驗板上沒有5MHz 的時鐘頻率，所以必須先分頻。

為了減小輸出的偶次諧波分量，輸出到揚聲器的波形應(yīng)為對稱方波，因此在揚聲器前要加一個二分頻。表中給出了各音階頻率時計數(shù)器不同的預(yù)置數(shù)。采用加載預(yù)置數(shù)實現(xiàn)分頻的方法比采用反饋復(fù)零法節(jié)約資源，實現(xiàn)起來也容易些。對于樂曲中的休止符，只要令分頻系數(shù)設(shè)為0，即初始值為2e14-1=16383 即可，此時揚聲器將不會發(fā)出聲。

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2.音長的控制

音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。

本例演奏的梁祝片段，最短的音符為四分音符，如果將全音符的持續(xù)時間設(shè)為1s 的話，則只需要再提供一個4Hz的時鐘頻率即可產(chǎn)生四分音符的時長。

演奏電路的原理圖如下圖所示：

4.參考代碼功能驗證波形圖

四、設(shè)計架構(gòu)

設(shè)計整體架構(gòu)

l?頂層模塊（two_function_stopwatch）

l?計時和記錄功能模塊（time_counter_record）

n?邊沿檢測器（posedge_detection）

n?計時模塊（time_counter）

l?蜂鳴器模塊（fengmingqi）

l?VGA模塊（vga2）

l?倒計時模塊（time_countdown）

l?動態(tài)掃描分頻模塊（fenpin2）

l?時鐘1Hz分頻模塊（fenpin_1HZ）

l?動態(tài)掃描模塊（saomiao_xuanze）

l?七段數(shù)碼管模塊（seg_dec）

六、實驗結(jié)果分析

本次實驗經(jīng)過驗證符合預(yù)期結(jié)果。

計時可以隨時停止，并最多保存記錄三個計時過程中的時刻。倒計時過程中，VGA顯示屏顯示數(shù)字，可以隨時停止，倒計時結(jié)束后可以通過蜂鳴器演奏《天空之城》模仿顯示生活中的鬧鐘。

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七、實驗心得

?????在設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的過程中會遇到諸多問題，比如在一開始時VGA顯示屏無法顯示，通過debug的過程中發(fā)現(xiàn)是劃分區(qū)域的問題，顯示過后發(fā)現(xiàn)位置不太準(zhǔn)確，又經(jīng)過了幾次調(diào)試后才最終成果。不過，通過驗證——修改——驗證這一看似重復(fù)的過程，個人的實力水平和對知識的透徹程度都有大幅度的提升。在做蜂鳴器的時候，當(dāng)自己聽到美妙的歌曲時，心中不由自主地長生一種成就感和興奮感。同時，通過數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，我對整個過程有了較為全面的了解，也為今后的學(xué)習(xí)和實踐打下了堅實的基礎(chǔ)。