[FGPA基础学习]分秒计数器的制作

分秒计数器设计

​ 本次实验内容为：DE2-115板子上用 Verilog编程实现一个 分秒计数器，并具备按键暂停、按键消抖功能

一、系统架构设计

1. 顶层模块划分

   顶层模块（top）
   ├── 按键消抖模块（key_debounce）
   ├── 边沿检测模块（edge_detect）
   ├── 时钟分频模块（clk_divider）
   ├── 分秒计数器（min_sec_counter）
   └── 七段译码器（seg7_decoder）
   

2. 模块交互逻辑

   CLK(50MHz) → 分频 → 1Hz时钟 → 计时模块
   KEY → 消抖模块 → 暂停控制 → 计时模块
   计时输出 → 数码管显示模块 → 物理数码管
   

二、核心模块实现

顶层模块

module top(input CLOCK_50,         // 50MHz时钟（PIN_Y2）input KEY0,             // 复位input KEY1,             // 暂停output [0:6] HEX7, HEX6,// 分十位、分个位output [0:6] HEX5, HEX4 // 秒十位、秒个位
);wire clk_1hz;               // 1Hz时钟信号
wire key_stable;            // 消抖后按键信号
wire pause_trigger;         // 边沿检测信号
reg pause_state = 1'b0;     // 暂停状态寄存器wire [3:0] min_tens, min_ones;
wire [3:0] sec_tens, sec_ones;// 按键消抖模块（20ms消抖）
debounce #(.DEBOUNCE_MS(20)) debounce_inst(.clk(CLOCK_50),.button_in(~KEY1),.button_out(key_stable)
);// 边沿检测模块
edge_detect edge_inst(.clk(CLOCK_50),.signal_in(key_stable),.edge_out(pause_trigger)
);// 时钟分频模块
clk_divider clk_div_inst(.clk(CLOCK_50),.reset(~KEY0),.pause(pause_state),.clk_out(clk_1hz)
);// 分秒计数器
min_sec_counter counter(.clk(clk_1hz),.reset(~KEY0),.min_tens(min_tens),.min_ones(min_ones),.sec_tens(sec_tens),.sec_ones(sec_ones)
);// 显示译码模块
seg7_decoder hex7(.bcd(min_tens), .seg(HEX7));
seg7_decoder hex6(.bcd(min_ones), .seg(HEX6));
seg7_decoder hex5(.bcd(sec_tens), .seg(HEX5));
seg7_decoder hex4(.bcd(sec_ones), .seg(HEX4));// 暂停状态机
always @(posedge CLOCK_50 or posedge ~KEY0) beginif (~KEY0) pause_state <= 1'b0;else if (pause_trigger) pause_state <= ~pause_state;
endendmodule

时钟分频模块

上次实验提到过：DE2-115开发板配备了一个固定的时钟源。该开发板内置了一个50MHz的晶振，因此对于50MHz的时钟频率，时钟周期为20ns。

module clk_divider(input clk,input reset,input pause,output reg clk_out
);parameter DIV_FACTOR = 26'd49_999_999; // 50MHz→1Hzreg [25:0] cnt;always @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) begincnt <= 0;clk_out <= 0;end else if (!pause) begincnt <= (cnt == DIV_FACTOR) ? 0 : cnt + 1;if (cnt == DIV_FACTOR) clk_out <= ~clk_out;endend
endmodule

按键模块

我选择KEY0做为复位按钮,KEY1作为控制分秒计数器的暂停按钮

DE2-115 提供了四个按钮开关，每个按钮开关都通过一个施 密特触发器进行了去抖动处理。四个施密特触发器的输出信 号，分别为KEY0、KEY1、KEY2、KEY3，直接连接到了Cyclone IV E FPGA。当按钮没有 被按下的时候，它的输出是高电平，按下去则给出一个低电平

module key_debounce #(parameter DEBOUNCE_MS = 20  // 可配置消抖时间
)(input clk,input button_in,output reg button_out
);localparam MAX_COUNT = 50_000_000 * DEBOUNCE_MS / 1000;reg [23:0] cnt;always @(posedge clk) beginif (button_in != button_out) begincnt <= (cnt == MAX_COUNT-1) ? 0 : cnt + 1;if (cnt == MAX_COUNT-1) button_out <= button_in;end else begincnt <= 0;endend
endmodule

边沿检测模块

module edge_detect(input clk,input signal_in,output reg edge_out
);reg signal_delay;always @(posedge clk) beginsignal_delay <= signal_in;edge_out <= signal_in & ~signal_delay; // 上升沿检测end
endmodule

计数器模块

module min_sec_counter(input clk,input reset,output reg [3:0] min_tens,output reg [3:0] min_ones,output reg [3:0] sec_tens,output reg [3:0] sec_ones
);// 秒计数器always @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) beginsec_ones <= 4'd0;sec_tens <= 4'd0;end else beginif (sec_ones == 4'd9) beginsec_ones <= 4'd0;sec_tens <= (sec_tens == 4'd5) ? 4'd0 : sec_tens + 1;end else beginsec_ones <= sec_ones + 1;endendend// 分钟计数器always @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) beginmin_ones <= 4'd0;min_tens <= 4'd0;end else if (sec_tens == 4'd5 && sec_ones == 4'd9) beginif (min_ones == 4'd9) beginmin_ones <= 4'd0;min_tens <= (min_tens == 4'd5) ? 4'd0 : min_tens + 1;end else beginmin_ones <= min_ones + 1;endendend
endmodule

数码管模块

之前提及到过，可以利用38译码器点亮7段数码管（其实只需要7段译码器即可），但是我们的输入情况有9种，所以七段译码器需要将4位BCD码转换为对应的段码；也说过数码管的点亮逻辑：FPGA输出低电压的时候，对应的字码段点亮，反之则熄灭

进行分秒展示，一共要用到4个数码管，为了更直观展示我选择：HEX7,HEX6作为分钟位，HEX5，HEX4做为秒位

数码管显示数字	需要亮起来的小段	对应的7位二进制数
0	HEX[0]~[5]	0000001
1	HEX[1]~[2]	1001111
2	HEX[0],[1],[3],[4],[6]	0010010
3	HEX[0],[1],[2],[3],[6]	0000110
4	HEX[1].[2].[5],[6]	1001100
5	HEX[0],[2],[3],[5],[6]	0100100
6	HEX[0],[2],[3],[4],[5],[6]	0100000
7	HEX[1]~[3]	0001111
8	HEX[0]~[6]	0000000
9	HEX[0],[1],[2],[3],[5],[6]	0001000

module seg7_decoder(input [3:0] bcd,output reg [6:0] seg
);always @(*) begincase(bcd)4'd0 : seg = 7'b0000_001; // 04'd1 : seg = 7'b1001_111; // 14'd2 : seg = 7'b0010_010; // 24'd3 : seg = 7'b0000_110; // 34'd4 : seg = 7'b1001_100; // 44'd5 : seg = 7'b0100_100; // 54'd6 : seg = 7'b0100_000; // 64'd7 : seg = 7'b0001_111; // 74'd8 : seg = 7'b0000_000; // 84'd9 : seg = 7'b0001_000; // 9default: seg = 7'b1111_111; // 灭endcaseend
endmodule

HEX4~7对应的引脚图如下：

引脚配置：

实现效果：

• 上电后数码管显示00:00并开始计时
• 按下KEY[1]后立即暂停，再次按下恢复
• 复位键KEY[0]可清零计数器

总结：按键边沿检测模块使用双寄存器级联技术捕获有效按键信号，配合FSM状态机实现暂停/恢复功能切换