FPGA学习-基于 DE2-115 板的 Verilog 分秒计数器设计与按键功能实现

一、核心功能设计

按键暂停/继续：通过KEY1控制计时状态

按键消抖处理：20ms消抖周期消除机械抖动

硬件资源分配：符合DE2-115开发板引脚规范

二、核心模块实现详解

1. 顶层模块（counter）

module counter(input  CLOCK_50,     // 50MHz时钟（PIN_Y2）input  KEY0,         // 复位按键（低有效，PIN_M23）input  KEY1,         // 暂停按键（低有效，PIN_M21）output [6:0] hex0,   // 秒个位（PIN_AF10~AG16）output [6:0] hex1,   // 秒十位output [6:0] hex2,   // 分个位output [6:0] hex3    // 分十位

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2. 时钟分频模块（clock_divider）

module clock_divider #(parameter DIVIDER = 24_999_999 // 50MHz→1Hz
)(input  clk,input  reset,output reg clk_out
);
reg [31:0] counter;  // 32位计数器always @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) begincounter <= 0;clk_out <= 0;end else if (counter == DIVIDER) begincounter <= 0;clk_out <= ~clk_out;  // 输出翻转end elsecounter <= counter + 1;
end
endmodule

参数计算：
$$T_{cycle}=\frac{DIVIDER+1}{f_{clk}}=\frac{25,000,000}{50,000,000}=0.5s$$
$$f_{out}=\frac{1}{2\times 0.5s}=1Hz$$

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3. 优化版按键消抖模块（key_debounce）

module key_debounce #(parameter DEBOUNCE_MS = 20,    // 消抖时间parameter CLK_FREQ = 50_000_000 
)(input  clk,input  key_n,         // 低有效output reg key_pulse  // 输出脉冲
);

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4. 七段译码器（seg7_decoder）

module seg7_decoder(input [3:0] num,output reg [6:0] seg
);
always @(*) begincase(num)4'd0: seg = 7'b1000000; // 共阳极编码// ...其他数字编码default: seg = 7'b1111111; // 全灭endcase
end
endmodule

显示优化：

• 十进制拆分逻辑：

seg0(.num(seconds%10),  // 个位
seg1(.num(seconds/10)   // 十位

• 错误状态自动灭灯

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三、关键电路设计

1. 复位信号展宽电路

reg [5:0] reset_hold = 0;  // 6位展宽寄存器
always @(posedge CLOCK_50) beginif (reset_pulse) reset_hold <= 6'b111111;  // 64周期展宽else if (reset_hold > 0)reset_hold <= reset_hold - 1;
end

时序特性：

• 展宽时间：$$t=\frac{64}{50MHz}=1.28\mu s$$
• 确保计数器稳定复位

2. 状态控制FSM

always @(posedge CLOCK_50) beginif (reset_extended)          // 复位优先running <= 1'b1;else if (pause_pulse)        // 暂停切换running <= ~running;
end

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四、工程文件结构

/fpga_counter
├── quartus/
│   ├── counter.qpf       
│   └── DE2_115.qsf       
├── modelsim/
│   ├── tb_counter.v     
│   └── wave.do          
└── src/├── counter.v         └── seg7_decoder.v    

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五.实验结果

fpga3

六.总结

本次实验在 DE2 - 115 板子上使用 Verilog 完成分秒计数器设计。通过代码实现精准计数，同时加入按键暂停与消抖功能。经多次测试，计数器运行稳定，按键操作能有效控制，为后续数字电路设计积累了实践经验。