數字萬(wàn)年歷設計
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實(shí)驗任務(wù)
實(shí)驗目的
前面的章節中我們學(xué)習了掃描式數碼管模塊和旋轉編碼器模塊的工作原理及驅動(dòng)方法，也對I2C總線(xiàn)協(xié)議及相關(guān)知識，本實(shí)驗主要對I2C總線(xiàn)驅動(dòng)方法加以練習，同時(shí)完成數字萬(wàn)年歷時(shí)間調節和顯示控制的邏輯，最終完成數字萬(wàn)年歷總體設計。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202312/453964.htm設計框圖
根據前面的實(shí)驗解析我們可以得知，該設計可以拆分成幾個(gè)功能模塊實(shí)現，
實(shí)驗原理
DS1340Z模塊介紹
從DS1340Z芯片手冊可以得到如下信息，DS1340Z芯片典型電路連接如下：
DS1340Z芯片管腳功能描述如下（SO-8封裝）：
DS1340Z芯片內部結構圖如下：
DS1340Z模塊連接
STEP BaseBoard V3.0底板上的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1340Z模塊電路圖如下（上拉電阻未顯示）：
我們的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片為DS1340Z-33，模塊電路中有電池座，電池電壓范圍為1.3V~5.5V，當安裝電池后底板掉電不影響實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的運行，重新上電后讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘數據。
實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1340Z需要外置32.768KHz的晶體，芯片內部集成起振電阻電容等電路，晶體直接連接即可。
DS1340Z驅動(dòng)設計
前面實(shí)驗中我們已經(jīng)講述學(xué)習過(guò)I2C總線(xiàn)驅動(dòng)的設計，本實(shí)驗可以上原來(lái)的基礎上調整，首先來(lái)了解DS1340Z時(shí)序中的參數要點(diǎn)。
通過(guò)DS1340Z時(shí)序參數了解，DS1340Z支持I2C通信400KHz快速模式同時(shí)兼容100KHz的標準模式，還有兩種模式下時(shí)序中的各種時(shí)間參數，所以通信速度不需要調整。
I2C時(shí)序基本單元（啟動(dòng)、停止、發(fā)送、接收、發(fā)應答、讀應答）協(xié)議里統一的，所以所以基本單元狀態(tài)的設計也是不需要調整的。
DS1340Z芯片有很多寄存器，用于存儲實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間信息，例如地址為00H的寄存器中，bit7為晶體使能控制位，低有效，默認使能，bit6~bit0為秒鐘數據，且是BCD碼的格式（bit6~bit4代表秒鐘的十位，bit3~bit0代表秒鐘的個(gè)位），當需要調整秒鐘時(shí)間時(shí)，對00H寄存器寫(xiě)操作，當讀取秒鐘時(shí)間時(shí)， 對00H寄存器讀操作。其他寄存器也是一樣，詳細請參考每個(gè)寄存器的功能說(shuō)明。
本實(shí)驗涉及DS1340Z的寫(xiě)寄存器和讀寄存器操作，查看手冊給出的操作時(shí)序流程。
芯片支持連續寫(xiě)寄存器操作（寄存器地址自加1），時(shí)序流程如下：
根據連續寫(xiě)寄存器時(shí)序流程，其設計程序實(shí)現如下：
MAIN:begin if(cnt_main >= 6'd11) //對MAIN中的子狀態(tài)執行控制cnt_main cnt_main <= 6'd0; // else cnt_main <= cnt_main + 1'b1; case(cnt_main) 6'd0: begin state <= START; end //I2C通信時(shí)序中的START 6'd1: begin data_wr <= 8'hd0; state <= WRITE; end //寫(xiě)地址為8'hd0 6'd2: begin data_wr <= 8'h00; state <= WRITE; end //8'h00，起始寄存器 6'd3: begin data_wr <= adj_sec; state <= WRITE; end //00寄存器地址，寫(xiě)秒 6'd4: begin data_wr <= adj_min; state <= WRITE; end //01寄存器地址，寫(xiě)分 6'd5: begin data_wr <= adj_hour; state <= WRITE; end //02寄存器地址，寫(xiě)時(shí) 6'd6: begin data_wr <= adj_week; state <= WRITE; end //03寄存器地址，寫(xiě)周 6'd7: begin data_wr <= adj_day; state <= WRITE; end //04寄存器地址，寫(xiě)日 6'd8: begin data_wr <= adj_mon; state <= WRITE; end //05寄存器地址，寫(xiě)月 6'd9: begin data_wr <= adj_year; state <= WRITE; end //06寄存器地址，寫(xiě)年 6'd10: begin data_wr <= 8'h40; state <= WRITE; end //07寄存器地址，8'h40 6'd11: begin state <= STOP; end //I2C通信時(shí)序中的STOP default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復位狀態(tài) endcase end
芯片支持連續讀寄存器操作（寄存器地址自加1），時(shí)序流程如下：
根據連續寫(xiě)寄存器時(shí)序流程，其設計程序實(shí)現如下：
MAIN:begin if(cnt_main >= 6'd32) //對MAIN中的子狀態(tài)執行控制cnt_main cnt_main <= 6'd12; //否則只執行時(shí)間讀取操作 else cnt_main <= cnt_main + 1'b1; case(cnt_main) 6'd12: begin state <= START; end //I2C通信時(shí)序中的START 6'd13: begin data_wr <= 8'hd0; state <= WRITE; end //寫(xiě)地址為8'hd0 6'd14: begin data_wr <= 8'h00; state <= WRITE; end //8'h00，寄存器初始地址 6'd15: begin state <= START; end //I2C通信時(shí)序中的START 6'd16: begin data_wr <= 8'hd1; state <= WRITE; end //讀地址為8'hd1 6'd17: begin ack <= ACK; state <= READ; end //讀秒 6'd18: begin rtc_sec <= rtc_data_r; end 6'd19: begin ack <= ACK; state <= READ; end //讀分 6'd20: begin rtc_min <= rtc_data_r; end 6'd21: begin ack <= ACK; state <= READ; end //讀時(shí) 6'd22: begin rtc_hour <= rtc_data_r; end 6'd23: begin ack <= ACK; state <= READ; end //讀周 6'd24: begin rtc_week <= rtc_data_r; end 6'd25: begin ack <= ACK; state <= READ; end //讀日 6'd26: begin rtc_day <= rtc_data_r; end 6'd27: begin ack <= ACK; state <= READ; end //讀月 6'd28: begin rtc_mon <= rtc_data_r; end 6'd29: begin ack <= ACK; state <= READ; end //讀年 6'd30: begin rtc_year <= rtc_data_r; end 6'd31: begin ack <= NACK; state <= READ; end //控制 6'd32: begin state <= STOP; end //I2C通信時(shí)序中的STOP，讀取完成標志 default: state <= IDLE; //如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復位狀態(tài) endcase end
上面兩段程序就是對于DS1340Z芯片的兩種操作，調時(shí)間和讀時(shí)間，對于萬(wàn)年歷來(lái)說(shuō)因為有電池供電，實(shí)時(shí)時(shí)鐘一直都處于工作狀態(tài)，當給FPGA上電時(shí)只需要讀時(shí)間即可，只有遇到時(shí)間不對的時(shí)候才需要調時(shí)間，所以DS1340Z驅動(dòng)模塊平時(shí)都在循環(huán)讀取時(shí)間，所以如果將調時(shí)間和讀時(shí)間的時(shí)序操作融合到同一個(gè)狀態(tài)下時(shí)，對于cntmain要加以控制，cntmain初值為12，且運行軌跡在12~32之間，控制程序調整如下：
if(cnt_main >= 6'd32) //對MAIN中的子狀態(tài)執行控制cnt_main if(set_flag)cnt_main <= 6'd0; //當set_flag被置位時(shí)才會(huì )執行時(shí)間寫(xiě)入操作 else cnt_main <= 6'd12; //否則只執行時(shí)間讀取操作 else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;
上面setflag為時(shí)間調整標志位，只有按動(dòng)編碼器在調時(shí)間模式時(shí)需要用到寫(xiě)時(shí)間數據的操作流程，可以根據按鍵脈沖置位setflag并自鎖，每次完成寫(xiě)入操作后再將set_flag復位。程序實(shí)現如下：
reg set_flag; always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) set_flag <= 1'b0; else if(cnt_main==5'd11) set_flag <= 1'b0; //完成寫(xiě)入時(shí)間操作復位set_flag else if(key_set) set_flag <= 1'b1; //按鍵脈沖控制set_flag置位 else set_flag <= set_flag; end
模塊端口如下：
module DS1340Z_driver ( input clk, rst_n, //系統時(shí)鐘和復位 input key_set, //按動(dòng)脈沖輸入 input [7:0] adj_hour, adj_min, adj_sec, //時(shí)分秒調整輸入 input [7:0] adj_year, adj_mon, adj_day, adj_week, //年份調整輸入 output i2c_scl, //I2C總線(xiàn)SCLinout i2c_sda, //I2C總線(xiàn)SDA output [7:0] rtc_hour, rtc_min, rtc_sec, //實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸出 output [7:0] rtc_year, rtc_mon, rtc_day, rtc_week //實(shí)時(shí)年份輸出 );
到這里就完成了萬(wàn)年歷中DS1340Z模塊的驅動(dòng)設計，宏觀(guān)上講，該模塊的功能可以這樣描述：
萬(wàn)年歷控制模塊實(shí)現
控制模塊包含多個(gè)功能的設計：模式控制、調時(shí)控制、顯示控制，可以細化成多個(gè)模塊實(shí)現，本實(shí)驗例程中就寫(xiě)在了一個(gè)模塊下，我們會(huì )針對這三個(gè)功能分別講解其實(shí)現方法及原理。
模式控制
項目要求設計成8個(gè)模式（常態(tài)、調年、調月、調日、調周、調時(shí)、調分、調秒），對8個(gè)狀態(tài)編碼，常態(tài)—0、調秒—1、調分—2、調時(shí)—3、調周—4、調日—5、調月—6、調年—7，通過(guò)按動(dòng)旋轉編碼器切換，按照常識調時(shí)間從大到小調節，先調節年份最后調秒鐘，所以我們這8個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機跳轉順序是固定的（0→7→6→5→4→3→2→1→0），依次循環(huán)跳轉，程序實(shí)現如下：
//時(shí)鐘運行狀態(tài)控制 always@(posedge clk or negedge rst_n ) if(!rst_n) state <= 3'd0; else if(O_pulse) //按鍵脈沖控制時(shí)鐘運行狀態(tài)的跳變， if(state) state <= state - 3'd1; else state <= 3'd7; else state <= state;
調時(shí)控制
調時(shí)控制在不同的調節模式對不同時(shí)間進(jìn)行調整，我們分別以常態(tài)模式和調秒模式為例進(jìn)行分析。
萬(wàn)年歷時(shí)間調節要以當時(shí)的時(shí)間為基礎，常態(tài)模式下不需要調整任何時(shí)間，但是可以將實(shí)時(shí)時(shí)鐘讀出的時(shí)間數據賦給調節變量，這樣等跳轉到調節模式時(shí)對調節變量的控制就是以當時(shí)的時(shí)間為基礎了，程序實(shí)現如下：
3'd0: //正常模式 begin if(O_pulse)begin //在常態(tài)下按動(dòng)編碼器將當前實(shí)時(shí)時(shí)間賦值給調節寄存器 adj_sec <= rtc_sec; adj_min <= rtc_min; adj_hour <= rtc_hour; adj_week <= rtc_week; adj_day <= rtc_day; adj_mon <= rtc_mon; adj_year <= rtc_year; end end
調秒模式與其他調節模式操作一樣，不同的是調節的規則不同，例如秒和分的調節范圍為0~59，小時(shí)調節范圍0~11或0~23，日期調節范圍需要考慮年和月的值（1、3、5、7、8、10、12月范圍1~31，4、6、9、11月范圍1~30，2月平年范圍1~28，2月閏年范圍1~29），周調節范圍1~7，月調節范圍1~12，年調節范圍0~99。對秒鐘數據進(jìn)行調節，程序實(shí)現如下：
3'd1: //調秒模式
begin
if(L_pulse) begin //逆時(shí)針轉
if(adj_sec[3:0]) adj_sec <= adj_sec - 1'h1;
else if(adj_sec[7:4]) adj_sec <= {adj_sec[7:4]-1'h1,4'h9};
else adj_sec <= 8'h59;
end else if(R_pulse) begin //順時(shí)針轉
if(adj_sec[3:0]!=4'h9) adj_sec <= adj_sec + 1'h1;
else if(adj_sec[7:4]!=4'h5) adj_sec <= {adj_sec[7:4]+1'h1,4'h0};
else adj_sec <= 8'h00;
end else adj_sec <= adj_sec;
end顯示控制
首先來(lái)看看一下數碼管要顯示的效果，8位數碼管分兩頁(yè)顯示萬(wàn)年歷數據，第一頁(yè)顯示年月日周，第二頁(yè)顯示時(shí)分秒。
我們看到任何一項時(shí)間選項都由兩位數碼管顯示，每頁(yè)最多顯示4個(gè)時(shí)間選項，我們可以使用4位的變量dispen[3:0]控制4個(gè)時(shí)間選項的點(diǎn)亮或熄滅，dispen[3]控制最左側兩個(gè)數碼管，disp_en[0]控制最右側兩個(gè)數碼管，我們分別以常態(tài)模式和調秒模式為例進(jìn)行顯示使能控制的分析。
常態(tài)模式下，轉動(dòng)編碼器控制顯示頁(yè)碼，兩個(gè)頁(yè)碼對應的顯示控制，程序實(shí)現如下：
3'd0: //正常模式 if(L_pulse) disp_en <= 4'b1111; //逆時(shí)針轉顯示第一頁(yè)，數碼管全亮 else if(R_pulse) disp_en <= 4'b0111; //順時(shí)針轉顯示第二頁(yè)，時(shí)分秒亮 else disp_en <= disp_en;
調秒模式下，小時(shí)和分鐘數碼管點(diǎn)亮，秒鐘閃爍顯示，轉動(dòng)編碼器時(shí)秒鐘強制顯示，最后按動(dòng)旋轉編碼器切到常態(tài)模式時(shí)，時(shí)分秒數碼管都回復顯示，程序實(shí)現如下：
3'd1: begin //調秒模式 disp_en[3:1] <= 3'b011; //時(shí)和分顯示 if(L_pulse|R_pulse) disp_en[0] <= 1'b1; //轉動(dòng)時(shí)強制顯示 else if(sec_pulse) disp_en[0] <= ~disp_en[0]; //秒鐘閃爍顯示 else if(O_pulse) disp_en <= 4'b0111; //返回常態(tài)時(shí)顯示時(shí)分秒 else disp_en[0] <= disp_en[0]; end
系統總體實(shí)現
前面分析了顯示控制，主要對時(shí)間選項的點(diǎn)亮還是熄滅做控制，對應到數碼管上就轉化成數碼管位的點(diǎn)亮和熄滅控制。另外還包含顯示數據的控制，而這部分設計我們放到頂層模塊中實(shí)現了，我們來(lái)分析一下。
數碼管點(diǎn)亮控制
數碼管與時(shí)間選項是對應關(guān)系，每個(gè)選項對應兩位數碼管，程序實(shí)現如下：
wire [7:0] data_en = {{2{disp_en[3]}},{2{disp_en[2]}},{2{disp_en[1]}},{2{disp_en[0]}}}; //數碼管位選控制
wire [7:0] dot_en = {1'b0,disp_en[3],1'b0,disp_en[2],1'b0,disp_en[1],1'b0,disp_en[0]}; //數碼管小數點(diǎn)顯示控制數碼管內容控制
萬(wàn)年歷的顯示分兩頁(yè)實(shí)現，我們以最右側兩個(gè)數碼管顯示內容為例，這兩位數碼管在第一頁(yè)中顯示周數據，在第二頁(yè)中顯示秒數據，那么我們怎么控制顯示內容呢？分析，萬(wàn)年歷8中模式，
1.常態(tài)模式下，顯示讀取的實(shí)時(shí)時(shí)鐘數據，具體顯示周還是秒再次細化
常態(tài)模式下，根據disp_en選擇顯示周數據還是秒數據，程序實(shí)現如下：
wire [7:0] data_rtc0 = disp_en[3]? rtc_week:rtc_sec; //常態(tài)下數碼管顯示數據
2.調節模式下，顯示寫(xiě)入的調節時(shí)鐘數據，具體顯示周還是秒再次細化
調節模式下，根據state選擇顯示周數據還是秒數據，程序實(shí)現如下：
wire [7:0] data_adj0 = state[2]? adj_week:adj_sec; //調節狀態(tài)下數碼管顯示數據
3.最后根據常態(tài)模式還是調節模式控制數碼管顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘數據還是調節時(shí)鐘數據
根據state選擇顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘數據還是調節時(shí)鐘數據，程序實(shí)現如下：
assign {data_7,data_8} = state? data_adj0:data_rtc3; //根據狀態(tài)選擇顯示常態(tài)數據還是調節狀態(tài)數據綜合后的設計框圖如下：
實(shí)驗步驟
實(shí)驗現象
將程序下載到FPGA中，按照設計要求的功能操作調節萬(wàn)年歷的時(shí)間，觀(guān)察數碼管萬(wàn)年歷顯示，如圖時(shí)間為18年6月27日，周三，19點(diǎn)15分14秒。
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